La previsione sensoriale sotto anestesia può offrire indizi sulla cognizione cosciente / Sensory Prediction Under Anesthesia May Offer Clues About Conscious Cognition

 La previsione sensoriale sotto anestesia può offrire indizi sulla cognizione cosciente / Sensory Prediction Under Anesthesia May Offer Clues About Conscious Cognition

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

Il modo in cui la previsione sensoriale cambia sotto anestesia potrebbe rivelarci il funzionamento della cognizione cosciente.

Un nuovo studio ha esaminato il modo in cui il cervello lavora costantemente per fare previsioni su ciò che accade nell'ambiente circostante durante lo stato di coscienza e come questo processo si interrompe durante l'anestesia generale.

Lo studio, che ha esaminato questi effetti nelle scimmie, è stato pubblicato su PNAS .

Ritmi cerebrali e pensiero cosciente

Le regioni cerebrali coinvolte nella cognizione si trovano generalmente nella parte anteriore del cervello, mentre le regioni sensoriali si trovano nella parte posteriore. Queste regioni utilizzano ritmi cerebrali a frequenza relativamente bassa, chiamati ritmi alfa e beta, per sopprimere l'elaborazione di stimoli che sono diventati familiari e banali nell'ambiente, come una radio da ufficio.

Ma quando sentiamo un suono sorprendente, come un allarme antincendio, queste regioni sensoriali usano invece ritmi gamma a frequenza più rapida per comunicare con le regioni cerebrali superiori. Queste regioni superiori elaborano le frequenze gamma per decidere cosa fare, come uscire dall'edificio dopo aver sentito l'allarme antincendio.

Ciò significa che il cervello fa costantemente previsioni su ciò che accade intorno a noi per garantire che possiamo reagire all'imprevisto. Un nuovo studio dei ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha esaminato più a fondo il funzionamento di questa cognizione cosciente ed il modo in cui l'incoscienza sotto anestesia generale la influenza.

Le risposte del cervello agli “strani”

Per studiare le previsioni sensoriali e la cognizione cosciente, i ricercatori hanno sottoposto i macachi ad anestesia generale, utilizzando il farmaco anestetico ampiamente utilizzato, il propofol.

Hanno misurato il “picco” dei segnali elettrici di centinaia di singoli neuroni ed i ritmi coordinati della loro attività aggregata (alle frequenze alfa/beta e gamma).

Hanno registrato l'attività in due aree della corteccia di due animali mentre ascoltavano sequenze di toni udibili. Alcune sequenze erano tutte la stessa nota, come AAAAA. Ma altre sequenze avevano qualche sorpresa. I ricercatori hanno chiamato queste sorprese o "stranezze locali", come AAAAB, o "stranezze globali", come una serie di sequenze AAAAB seguite da una sorpresa AAAAA.

Ricerche precedenti hanno suggerito che le anomalie locali possono essere individuate da una regione sensoriale del cervello chiamata area temporoparietale (Tpt); ma per individuare anomalie globali più complesse è necessaria una regione più complessa e di ordine superiore chiamata campi oculari frontali (FEF).

Nel nuovo studio, le sequenze di toni sono state riprodotte agli animali sia da svegli che sotto anestesia generale. Da svegli, i ritmi alfa/beta top-down di FEF hanno trasmesso le previsioni al Tpt. Il Tpt ha aumentato i ritmi gamma quando si è verificato un evento insolito, causando un aumento dell'attività gamma nel FEF e nella corteccia prefrontale.

Tuttavia, quando le scimmie venivano anestetizzate, i ricercatori scoprirono che le regioni sensoriali del loro cervello mantenevano la capacità di rilevare semplici sorprese, ma la comunicazione con la regione cognitiva di ordine superiore verso la parte anteriore del cervello andava persa. Osservarono che l'attività di picco diminuiva complessivamente durante l'incoscienza, ma il picco di Tpt aumentava ancora quando si presentava un insolito individuo locale, sebbene il picco in FEF non seguisse l'esempio come accade nella veglia.

Ciò significa che questa regione non è in grado di svolgere una regolazione sensoriale "dall'alto verso il basso", rimanendo ignara sia delle sorprese semplici che di quelle complesse.

"Quello che stiamo facendo qui parla della natura della coscienza", ha affermato Earl K. Miller , coautore senior dello studio e professore Picower presso il Dipartimento di scienze cognitive e del cervello del MIT.

"L'anestesia generale con propofol disattiva i processi top-down che sono alla base della cognizione", ha aggiunto Miller . "In sostanza, interrompe la comunicazione tra la metà anteriore e quella posteriore del cervello".

Inoltre, quando un oddball globale veniva presentato durante la veglia, il software era in grado di "decodificare" una rappresentazione di ciò tra i neuroni in FEF e la corteccia prefrontale (un'altra regione orientata alla cognizione). Miller ed il suo gruppo potevano anche decodificare gli oddball locali nel Tpt. Ma mentre erano sotto anestesia generale, il decodificatore non riusciva più a rilevare in modo affidabile la rappresentazione degli oddball locali o globali in FEF o nella corteccia prefrontale.

Il confronto dei ritmi tra stati di veglia e incoscienza ha rivelato delle nette differenze. Da svegli, gli oddball hanno aumentato l'attività gamma sia in Tpt che in FEF, mentre i ritmi alfa/beta sono diminuiti. La stimolazione regolare, non oddball, ha aumentato i ritmi alfa/beta. Ma sotto anestesia generale, l'aumento dei ritmi gamma da un oddball locale è stato persino maggiore in Tpt rispetto a quando l'animale era sveglio.

Potenziali opportunità per svelare “i meccanismi della coscienza”

I risultati suggeriscono che il pensiero cosciente richiede una comunicazione sincronizzata tra le regioni sensoriali di base e quelle cognitive di ordine superiore del cervello, utilizzando specifiche frequenze ritmiche cerebrali.

"Questi risultati sono particolarmente importanti dato il nuovo interesse scientifico nei meccanismi della coscienza e nel modo in cui la coscienza è correlata alla capacità del cervello di formulare previsioni", ha spiegato Andre Bastos , coautore senior e professore associato presso la Vanderbilt University.

"La capacità del cervello di predire è drammaticamente alterata durante l'anestesia", ha aggiunto Bastos . "È stato interessante notare che la parte anteriore del cervello, aree associate alla cognizione, erano più fortemente diminuite nelle loro capacità predittive rispetto alle aree sensoriali. Ciò suggerisce che le aree prefrontali aiutano a innescare un evento di "accensione" che consente alle informazioni sensoriali di diventare coscienti. L'attivazione della corteccia sensoriale di per sé non porta alla percezione cosciente. Queste osservazioni ci aiutano a restringere i possibili modelli per i meccanismi della coscienza".

"Nel cervello sveglio, le onde cerebrali offrono brevi finestre di opportunità ai neuroni per attivarsi in modo ottimale, la "frequenza di aggiornamento" del cervello, per così dire", ha affermato Yihan Sophy Xiong , una studentessa laureata nel laboratorio di Bastos ed autrice principale dello studio. "Questa frequenza di aggiornamento aiuta a organizzare diverse aree del cervello per comunicare in modo efficace. L'anestesia rallenta la frequenza di aggiornamento, il che restringe queste finestre temporali per le aree del cervello per comunicare tra loro e rende la frequenza di aggiornamento meno efficace, così che i neuroni diventano più disorganizzati su quando possono attivarsi. Quando la frequenza di aggiornamento non funziona più come previsto, la nostra capacità di fare previsioni si indebolisce".

Nel complesso, i risultati suggeriscono che il pensiero cosciente richiede un coordinamento attraverso la corteccia, dalla parte anteriore a quella posteriore, affermano gli autori.

"I nostri risultati suggeriscono quindi un ruolo importante dell'attivazione della corteccia prefrontale, oltre all'attivazione della corteccia sensoriale, nella percezione cosciente", hanno scritto i ricercatori nello studio.

ENGLISH

How sensory prediction changes under anesthesia could tell us how conscious cognition works.

A new study has examined how the brain constantly works to make predictions about what's happening in our surroundings during consciousness, and how this process breaks down under general anesthesia.

The study, which examined these effects in monkeys, was published in PNAS.

Brain rhythms and conscious thought

Brain regions involved in cognition are generally found near the front of the brain, whereas sensory regions are found toward the back. These regions use relatively low frequency brain rhythms – called alpha and beta rhythms – to suppress processing of stimuli that have become familiar and mundane in the environment, such as an office radio.

But when we hear a surprising sound, like a fire alarm, these sensory regions instead use faster frequency gamma rhythms to communicate with the higher brain regions. These higher regions process the gamma frequencies to decide what to do – like exiting the building after hearing the fire alarm.

This means the brain is constantly making predictions about what's going on around us to ensure that we can react to the unexpected. A new study from Massachusetts Institute of Technology (MIT) researchers has looked deeper into how this conscious cognition works, as well as how unconsciousness under general anesthesia affects it.

The brain’s responses to “oddballs”

To investigate sensory predictions and conscious cognition, the researchers placed macaque monkeys under general anesthesia using the widely used anesthetic drug propofol.

They measured the “spiking” of electrical signals from hundreds of individual neurons and the coordinated rhythms of their aggregated activity (at alpha/beta and gamma frequencies).

They recorded activity in two areas in the cortex of two animals as they listened to sequences of audible tones. Some sequences would all be the same note, such as AAAAA. But other sequences had some surprises thrown in. The researchers called these surprises either a “local oddball”, such as AAAAB, or a “global oddball”, such as a series of AAAAB sequences followed by a surprise AAAAA.

Prior research has suggested that local oddballs can be spotted by a sensory region in the brain called the temporoparietal area (Tpt); but detecting more complicated global oddballs requires a more complex, higher-order region called the Frontal Eye Fields (FEF).

In the new study, the tone sequences were played to the animals both while awake and under general anesthesia. When awake, the top-down alpha/beta rhythms from FEF carried predictions to the Tpt. The Tpt increased gamma rhythms when an oddball occurred, causing gamma activity to increase in the FEF and the prefrontal cortex.

When the monkeys were anesthetized, however, the researchers found that the sensory regions of their brains retained the capacity to detect simple surprises, but communication with the higher-order cognitive region toward the front of the brain was lost. They observed that spiking activity declined overall during unconsciousness, but Tpt spiking still increased when a local oddball came along, though spiking in FEF didn't follow suit as it does in wakefulness.

This meant that this region was unable to engage in "top-down" sensory regulation, keeping it oblivious to both simple and complex surprises.

"What we are doing here speaks to the nature of consciousness," said Earl K. Miller, co-senior author of the study and Picower Professor in MIT’s Department of Brain and Cognitive Sciences.

"Propofol general anesthesia deactivates the top-down processes that that underlie cognition,” Miller added. “It essentially disconnects communication between the front and back halves of the brain."

Additionally, when a global oddball was presented during wakefulness, software was able to "decode" a representation of that among neurons in FEF and the prefrontal cortex (another cognition-oriented region). Miller and his team could also decode local oddballs in the Tpt. But while under general anesthesia, the decoder could no longer reliably detect representation of local or global oddballs in FEF or the prefrontal cortex.

Comparing rhythms between wakeful and unconscious states revealed stark differences. While awake, oddballs increased gamma activity in both Tpt and FEF, while alpha/beta rhythms decreased. Regular, non-oddball stimulation increased alpha/beta rhythms. But under general anesthesia, the increase in gamma rhythms from a local oddball was even greater in Tpt than when the animal was awake.

Potential opportunities to unravel “the mechanisms of consciousness”

The findings suggest that conscious thought requires synchronized communication between basic sensory and higher-order cognitive regions of the brain using specific brain rhythm frequencies.

"These results are particularly important given the newfound scientific interest in the mechanisms of consciousness, and how consciousness relates to the ability of the brain to form predictions," explained Andre Bastos, co-senior author and assistant professor at Vanderbilt University.

"The brain's ability to predict is dramatically altered during anesthesia,” Bastos added. “It was interesting that the front of the brain, areas associated with cognition, were more strongly diminished in their predictive abilities than sensory areas. This suggests that prefrontal areas help to spark an 'ignition' event that allows sensory information to become conscious. Sensory cortex activation by itself does not lead to conscious perception. These observations help us narrow down possible models for the mechanisms of consciousness."

"In the awake brain, brain waves give short windows of opportunity for neurons to fire optimally – the 'refresh rate' of the brain, so to speak," said Yihan Sophy Xiong, a graduate student in Bastos’ lab and lead author of the study. "This refresh rate helps organize different brain areas to communicate effectively. Anesthesia both slows down the refresh rate, which narrows these time windows for brain areas to talk to each other and makes the refresh rate less effective, so that neurons become more disorganized about when they can fire. When the refresh rate no longer works as intended, our ability to make predictions is weakened."

Overall, the findings suggest that conscious thought requires coordination across the cortex from front to back, say the authors.

"Our results therefore suggest an important role for prefrontal cortex activation, in addition to sensory cortex activation, for conscious perception," the researchers wrote in the study.

Da:

https://www.technologynetworks.com/tn/news/sensory-prediction-under-anesthesia-may-offer-clues-about-conscious-cognition-392015?utm_campaign=NEWSLETTER_TN_Breaking%20Science%20News&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz--i70CWQlwRnCJT-PvXVyAUCp_BOe_k-J2mwa6XYdNYeOGWlJqG6NK5WtWAC12IG1JKu0Y-cE1cyv9qEyC8wzriyfTwv3s98o3o6F2r6n1vrlFF83M&_hsmi=328973363&utm_content=328973363&utm_source=hs_email