Per i neuroni il silenzio è d'oro / For the neurons, silence is golden

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Rappresentazione artistica di neuroni percorsi da potenziali d'azione (Science Photo Library RF / AGF) / Artistic representation of neurons traversed by action potentials

Una nuova ricerca su topi di laboratorio ha trovato la conferma sperimentale di una recente teoria secondo cui in alcune popolazioni di neuroni la codifica delle informazioni non si basa solo sugli impulsi elettrici che li attraversano, ma anche sugli intervalli di "silenzio" tra impulsi successivi.

La base di tutta l’attività cerebrale è nel funzionamento del neurone, che viene attraversato da un impulso elettrico: il potenziale d’azione. Questa nozione fondamentale delle neuroscienze viene ora in parte modificata da un nuovo studio pubblicato sulla rivista “Cerebral Cortex” da Joe Tsien, dell’Università di Augusta, in Georgia (Stati Uniti), che ha verificato sperimentalmente una sua ipotesi secondo cui una parte dell’informazione viene codificata dalla lunghezza dei “silenzi” che separano i potenziali d’azione, chiamati intervalli interpotenziali.

Le misurazioni mostrano che i neuroni sono sempre in qualche modo attivi: oltre ai potenziali d’azione, si osserva anche la presenza di fluttuazioni spontanee, il cui significato per il codice neurale non è ancora chiaro. Per dare un’immagine di queste fluttuazioni, Tsien usa spesso l’analogia con la superficie dell’oceano: nella maggior parte dei casi, può apparire tranquilla se paragonata a uno tsunami. Ma a ben guardare è sempre increspata dalle onde.

Alcuni ricercatori hanno inoltre notato una certa variabilità nel modo in cui uno stesso neurone risponde in occasioni diverse allo stesso tipo di stimolo, o come mantiene il proprio stato di riposo. Perciò si ipotizza che vi sia qualche principio di regolazione che permette al cervello di continuare a pensare e agire in tempo reale nonostante questa variabilità.

Recentemente Tsien e colleghi hanno proposto la teoria dell'auto-informazione neurale, secondo cui anche la variabilità degli intervalli interpotenziali fa parte di un codice neurale che veicola l’informazione. In pratica, la teoria prevede che il “silenzio” tra due potenziali d’azione sia tanto più carico d’informazione, 

cioè più significativo, quanto più la sua durata si discosta dalla storia di variabilità dell’attività del neurone.

Per analogia, spiegano gli autori, è come se una persona che normalmente parla molto rimanesse in silenzio per lunghi periodi di tempo: anche il silenzio in questo caso potrebbe diventare significativo. Se poi fossero diverse persone a comunicare nello stesso modo in un gruppo, parole e silenzi diventerebbero una vera e propria forma di comunicazione.

Il gruppo di Tsien ha ora trovato un riscontro sperimentale di questa teoria di auto-informazione neurale in topi di laboratorio impegnati in compiti in cui dovevano utilizzare notevoli risorse di attenzione. Hanno così identificato 15 gruppi di aggregati di cellule nella corteccia e nell’ippocampo che lavorano insieme per coordinare i cicli del sonno o altre attività di attenzione e di risposta agli stimoli ambientali.

“Per identificare i gruppi di cellule che consentono ai topi di rispondere efficacemente gli stimoli, occorre identificare come sono fatti gli intervalli interpotenziali quando sono al di fuori del loro normale range di durata”, ha concluso Tsien. “Tra tutte le cellule di cui è possibile registrare l’attività è possibile identificare quelle che evolvono contemporaneamente verso uno stato diverso dal solito”. 

È in queste occasioni che il comportamento dei neuroni somiglia a quello di persone che usano anche i silenzi per comunicare.

ENGLISH

New research on laboratory mice has found experimental confirmation of a recent theory that in some populations of neurons the coding of information is not based only on the electrical impulses that cross them, but also on the intervals of "silence" between successive pulses.

The basis of all brain activity is in the functioning of the neuron, which is crossed by an electrical impulse: the action potential. This fundamental notion of neuroscience is now partly modified by a new study published in the journal "Cerebral Cortex" by Joe Tsien, of the University of Augusta, in Georgia (United States), who has experimentally verified his hypothesis according to which a part of information is encoded by the length of the "silences" that separate action potentials, called interpotential intervals.

The measurements show that the neurons are always active: in addition to the action potentials, the presence of spontaneous fluctuations is also observed, whose meaning for the neural code is not yet clear. To give an image of these fluctuations, Tsien often uses the analogy with the surface of the ocean: in most cases, it can appear calm when compared to a tsunami. But on closer inspection it is always rippled by the waves.

Some researchers have also noted a certain variability in the way in which the same neuron responds on different occasions to the same type of stimulus, or how it maintains its state of rest. Therefore it is hypothesized that there is some regulation principle that allows the brain to continue thinking and acting in real time despite this variability.

Recently, Tsien and colleagues have proposed the neural self-information theory, according to which also the variability of interpotential intervals is part of a neural code that conveys information. In practice, the theory predicts that the "silence" between two action potentials is much more information-laden, that is, more significant, the longer its duration deviates from the history of neuron activity variability.

By analogy, the authors explain, it is as if a person who normally speaks a lot remains silent for long periods of time: even silence in this case could become significant. If then they were different people to communicate in the same way in a group, words and silences would become a real form of communication.

The Tsien group has now found an experimental confirmation of this neural self-information theory in laboratory mice engaged in tasks in which they had to use considerable resources of attention. They have thus identified 15 groups of cell aggregates in the cortex and the hippocampus that work together to coordinate sleep cycles or other activities of attention and response to environmental stimuli.

"To identify groups of cells that allow mice to respond effectively to stimuli, we need to identify how interpotential intervals are made when they are outside their normal duration range," concluded Tsien. "Among all the cells whose activity can be recorded, it is possible to identify those that evolve simultaneously towards a different state than usual".

It is on these occasions that the behavior of neurons resembles that of people who also use silences to communicate.

Da;

http://www.lescienze.it/news/2018/06/19/news/neuroni_comunicano_silenzi-4021459/?ref=nl-Le-Scienze_22-06-2018