Un nuovo modello neuronale per la memoria di lavoro

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Cervello

Un interessante paper pubblicato su “Cerebral cortex” di marzo chiarisce alcuni aspetti chiave sul funzionamento della memoria di lavoro, fornendo un modello teorico che potrebbe avere importanti risvolti nella comprensione dei meccanismi di deterioramento cognitivo sia nelle malattie neurodegenerative sia in alcune affezioni psichiatriche.

Cos’è la memoria di lavoro

La memoria di lavoro è un particolare tipo di memoria che si occupa della ritenzione, a breve termine e limitata, di informazioni provenienti dall’esterno, rendendole disponibili per la manipolazione/gestione cosciente; ci consente, ad esempio, di ricordare un numero di telefono il tempo necessario a digitarlo dopo averlo letto o sentito.

Caratteristiche salienti di questo magazzino sono:

  • Limitatezza: possono essere portate a livello cosciente un massimo di 7 (+-2) elementi (item) alla volta, di qualunque tipo essi siano (valore ridimensionato nel tempo, si è propensi a credere sia intorno a 4-5); un numero di 7 cifre, ad esempio, verrà ricordato con più difficoltà se si vogliono memorizzare le singole cifre (poiché si raggiunge il limite della capacità mnesica) mentre sarà molto più semplice formando dei chunk (pezzi) di due o tre cifre (arrivando a 3 items circa, dove ogni item è un chunk)
  • Temporalità: rispetto alla memoria a lungo termine, che permette di immagazzinare informazioni per lunghissimo tempo, quella di lavoro è molto più labile, avendo una durata di qualche secondo.

Il problema del limite

Pinotsis, Buschman e Miller, autori della ricerca e già noti per altri studi sull’argomento, hanno voluto proporre un modello teorico che spiegasse una delle due caratteristiche di cui sopra, la limitatezza. È noto da più di 60 anni che, andando oltre un certo carico informazionale, la memoria di lavoro perde in prestazioni, i ricordi divengono fragili e si perdono. C’è voluto tutto questo tempo perché si arrivasse alla formulazione di una possibile spiegazione, uno schema integrato che giustifichi biologicamente quest’empasse cerebrale e che dia finalmente corpo al curioso fenomeno.

Necessità di un nuovo modello

Studi precedenti, condotti da diversi autori tra cui lo stesso Miller, avevano tentato di definire un modello di attività, analizzando il comportamento delle 3 regioni cerebrali implicate nella WM, la corteccia prefrontale (PFC), i campi oculari frontali (FEF) e l’area intraparietale laterale (LIP), nel contesto di esperimenti di “change detection task” su scimmie. Tali esperimenti avevano però il limite di indagare soltanto networking, ovvero come sono collegate tra di loro le varie aree, e sincronia, cioè se le aree scaricavano contemporaneamente treni di potenziale d’azione in risposta a certi stimoli. Il problema centrale dunque rimaneva: com’è possibile giustificare la perdita delle performance? Alla luce di nuove evidenze sperimentali, i ricercatori hanno ripreso in mano i dati, traendo interessanti conclusioni.

L’esperimento

Il “change detection task” è una prova a cui si sottopongono animali da esperimento (in questo caso scimmie) collegati ad una macchina rilevatrice di potenziali elettrici locali (LFP), che consiste nel mostrare ai primati una serie di schermate: una prima interfaccia, detta “sample”, contenente dai 2 ai 5 quadrati colorati, distribuiti nei due emicampi visivi (ad esempio 3 a destra e 2 a sinistra), viene presentata per 800ms; dopodiché c’è un periodo di 800ms di schermo scuro ed infine una nuova schermata identica, con un quadrato cambiato di colore (target) che la scimmia deve identificare con gli occhi.

L’attività cerebrale viene registrata durante tutto il compito, con particolare interesse per la fase di transizione, in cui avvengono dei cambiamenti a livello di attività corticale piuttosto marcati, dipendenti sia dal numero degli items che dalla loro distribuzione, con modifiche dei segnali a bassa ed alta frequenza provenienti dalle aree cerebrali in studio, all’interno delle quali l’elaborazione avviene attraverso un microcircuito neurone corticale piramidale superficiale – neurone corticale piramidale profondo – cellula stellata, utilizzando segnali di attivazione ed inibizione.

L’idea interessante è stata di partire da questo microcircuito ed estenderlo alle 3 aree dette prima: la corteccia prefrontale si occuperebbe della creazione di una predizione del mondo esterno, uno schema di quanto c’è fuori; utilizzando delle connessioni con altre aree, vengono inviati segnali feedback inibitori (utili nella cancellazione di segnali a feedforward inutili) che vanno nelle altre due aree, le quali si occupano invece di inviare segnali sensoriali bruti provenienti dall’ambiente attraverso connessioni feedforward alla stessa prefrontale. Questo gioco di scambi sincronici, teorizzato nel modello ALL, permetterebbe di codificare al meglio le informazioni.

Nel momento in cui si supera il carico di items, la prefrontale perde la capacità inibitoria a feedback, probabilmente perché non riesce più a creare una previsione sul mondo esterno (codifica predittiva) che possa essere codificata come unico segnale di feedback, cioè diverrebbe incapace di inviare così tante informazioni tutte insieme. La mancata inibizione porta alla perdita della sincronia e quindi della ritenzione.

Prospettive

Il gruppo di Miller è particolarmente impegnato nella ricerca in questo campo e si propone, alla luce dei risultati ottenuti, di chiarire altre importanti questioni, tra cui il ruolo delle onde cerebrali nei processi superiori. Una migliore comprensione dei processi alla base del feedback potrebbe inoltre migliorare gli algoritmi di AI nonché permettere di scandagliare le ancor più profondamente le basi dell’intelligenza umana.

FONTI| articolo originale ; articolo Le Scienze