L’intricata, caotica rete di trasmissioni neuronali

L’informazione immagazzinata nello schema di attività può andare perduto in conseguenza di piccoli errori con una velocità sorprendentemente alta

La dinamica sottesa dalla trasmissione di segnali nel cervello è estremamente caotica: è questa la conclusione di una ricerca del Max-Planck-Institut per la dinamica e l’auto-organizzazione presso l’Università di Gottinga e del Bernstein Center for Computational Neuroscience a Göttingen di cui viene riferitoin  un articolo sulla rivista Physical Review Letters.

Nell’ambito della stessa ricerca, è stato possibile calcolare, per la prima volta, la velocità con la quale l’informazione immagazzinata in schemi di attività dei neuroni della corteccia cerebrale viene scaricata, risultata sorprendentemente alta.

Il cervello, com’è noto, codifica informazione in forma di impulsi elettrici. Ciascuno dei 100 miliardi di neuroni tra loro interconnessi funge sia da ricevitore sia da trasmettitore e ogni informazione elaborata dal cervello genera un caratteristico schema di attività. Ciò indica quale neurone invia un impulso ai neuroni vicini: in altre parole, quale neurone è attivo e quando. Lo schema di attività è di fatto un tipo di protocollo di comunicazione che registra lo scambio di informazioni tra i neuroni.

Ciò che si osserva è che piccole variazioni nella comunicazione neuronale producono schemi tra loro anche molto differenti, secondo una modalità caratteristica di quelli che in fisica vengono definiti sistemi caotici. Ciò significa i processi dinamici nel cervello non possono essere previsti a lunga scadenza. Oltre a ciò l’informazione immagazzinata nello schema di attività può andare perduto in conseguenza di piccoli errori. La ricerca del Max-Planck ha ora rivelato che i processi della corteccia cerebrale sono estremamente caotici.

“L’unico modo con cui si riesce a tenere conto di questa incertezza nei calcoli è determinare in quali condizioni un impulso comunicato a un neurone si trasmette attraverso la membrana, e ciò avviene com’è noto quando viene superato il valore di soglia della depolarizzazione di membrana”, ha sottolineato Fred Wolf, direttore del gruppo di Neurofisica teorica del Max-Planck.

Altri modelli descrivono i neuroni in una forma più semplificata, ottenendo un modello che segue una dinamica stabile in alcuni casi e non stabile in altri. Tale discrepanza non ha reso possibile finora determinare se i processi che si verificano nella corteccia fossero intrinsecamente caotici o meno sulla base di tali modelli.

Grazie a questo differente approccio, invece, i ricercatori di Gottinga sono riusciti a calcolare per la prima volta quanto velocemente un certo schema di attività vada a perdersi in risposta a piccole variazioni o, in altre parole, quanto rapidamente si dimentica l’informazione: approssimativamente, si parla della scomparsa di un bit per neurone al secondo.

“Questo tasso di cancellazione è estremamente elevato e simile alla rapidità con cui vengono trasmesse le informazioni provenienti dagli organi di senso”, ha concluso Wolf.

Ciò potrà avere conseguenze importanti per la comprensione del codice neurale della corteccia cerebrale: a causa del notevole tasso di cancellazione: l’informazione sui segnali di input sensoriale può essere mantenuta solo per pochi impulsi. Ciò significa che le dinamiche della corteccia sono specificamente adattate all’elaborazione di brevi “istantanee sensoriali” del mondo esterno.