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LOS ANGELES: Un gruppo di accademici delle arti e delle scienze ha elaborato una teoria che potrebbe spiegare la complessità del cervello e la importanza del sonno.
Per dimostrare che il cervello deve periodicamente reimpostare il suo sistema operativo, i ricercatori hanno recentemente registrato l’attività cerebrale dei ratti addormentati per la pubblicazione sulla rivista Nature Neuroscience.
Il sonno è un requisito fondamentale, proprio come il cibo e le bevande. “Senza di esso morirete”, ha avvertito Keith Hengen, assistente professore di biologia alla Washington University di St. Louis.
Ma cosa comporta il sonno? Per anni gli accademici hanno potuto solo affermare che il sonno riduce la stanchezza, il che non è certo una spiegazione soddisfacente per un bisogno umano fondamentale.
“Il cervello è come un computer biologico”, ha detto Hengen. “La memoria e l’esperienza durante la veglia modificano il codice poco a poco, allontanando lentamente il sistema più ampio da uno stato ideale. Lo scopo centrale del sonno è ripristinare uno stato computazionale ottimale.”
I coautori dell’articolo includono Ralf Wessel, professore di fisica; Yifan Xu, uno studente laureato in biologia che studia neuroscienze; e Aidan Schneider, uno studente laureato nel programma di biologia computazionale e dei sistemi, tutti in arti e scienze.
Wessel ha detto che i fisici pensano alla criticità da più di 30 anni, ma non avrebbero mai immaginato che il lavoro avrebbe avuto implicazioni sul sonno. Nel mondo della fisica, la criticità descrive un sistema complesso che esiste nel punto critico tra ordine e caos. “A un estremo, tutto è completamente regolare. All’altro estremo, tutto è casuale”, ha detto Wessel.
La criticità massimizza la codifica e l’elaborazione delle informazioni, rendendola un candidato attraente per un principio generale della neurobiologia. In uno studio del 2019, Hengen e Wessel hanno stabilito che il cervello lavora attivamente per mantenere la criticità.
Nel nuovo articolo, il team fornisce la prima prova diretta che il sonno ripristina la potenza computazionale del cervello. Si tratta di un cambiamento radicale rispetto al presupposto di lunga data secondo cui il sonno deve in qualche modo ricostituire le sostanze chimiche misteriose e sconosciute esaurite durante le ore di veglia.
Dopo il loro articolo del 2019, Hengen e Wessel hanno teorizzato che apprendere, pensare ed essere svegli devono allontanare il cervello dalle criticità e che il sonno è nella posizione perfetta per ripristinare il sistema. “Ci siamo resi conto che questa sarebbe stata una spiegazione davvero interessante e intuitiva per lo scopo principale del sonno”, ha detto Hengen. “Il sonno è una soluzione a livello di sistema per un problema a livello di sistema.”
Per testare la loro teoria sul ruolo della criticità nel sonno, i ricercatori hanno monitorato il picco di molti neuroni nel cervello di giovani ratti mentre svolgevano le loro normali routine di sonno e veglia.
“Puoi seguire queste piccole cascate di attività attraverso la rete neurale”, ha detto Hengen. Queste cascate, chiamate anche valanghe neurali, riflettono il modo in cui le informazioni fluiscono attraverso il cervello, ha detto.
“In condizioni critiche, possono verificarsi valanghe di tutte le dimensioni e durate. Lontano dalla criticità, il sistema diventa sbilanciato verso solo piccole valanghe o solo grandi valanghe. Questo è analogo a scrivere un libro ed essere in grado di usare solo parole brevi o lunghe.”
Come previsto, nei ratti appena risvegliati dal sonno ristoratore si sono verificate valanghe di tutte le dimensioni. Nel corso del risveglio, le cascate hanno iniziato a spostarsi verso dimensioni sempre più piccole.
I ricercatori hanno scoperto che potevano prevedere quando i ratti stavano per addormentarsi o svegliarsi monitorando la distribuzione delle valanghe. Quando le dimensioni della cascata furono ridotte fino a un certo punto, il sonno non era lontano.
“I risultati suggeriscono che ogni momento di veglia spinge i circuiti cerebrali rilevanti lontano dalla criticità, e il sonno aiuta il cervello a resettarsi”, ha detto Hengen.
Quando i fisici svilupparono per la prima volta il concetto di criticità alla fine degli anni ’80, stavano osservando mucchi di sabbia su una griglia simile a una scacchiera, uno scenario apparentemente molto lontano dal cervello. Ma quei mucchi di sabbia hanno fornito una visione importante, ha detto Wessel.
Se migliaia di chicchi vengono gettati sulla griglia seguendo semplici regole, le pile raggiungono rapidamente uno stato critico in cui iniziano ad accadere cose interessanti.
Le valanghe, sia grandi che piccole, possono iniziare senza preavviso e i mucchi in un quadrato iniziano a riversarsi negli altri. “L’intero sistema si organizza in qualcosa di estremamente complesso”, ha detto.
Le valanghe neurali che si verificano nel cervello sono molto simili alle valanghe di sabbia su una griglia, ha detto Wessel. In ogni caso, le cascate sono il segno distintivo di un sistema che ha raggiunto il suo stato più complesso.
Secondo Hengen, ogni neurone è come un granello di sabbia individuale che segue regole molto elementari. I neuroni sono essenzialmente interruttori on/off che decidono se attivarsi o meno in base a input diretti.
Se miliardi di neuroni riescono a raggiungere il punto critico – il punto debole tra troppo ordine e troppo caos – possono lavorare insieme per formare qualcosa di complesso e meraviglioso.
“La criticità massimizza un insieme di caratteristiche che sembrano molto desiderabili per un cervello”, ha detto Hengen.
Il nuovo studio è stato uno sforzo multidisciplinare. Hengen, Xu e Schneider hanno progettato gli esperimenti e fornito i dati, mentre Wessel si è unito al team per implementare le equazioni matematiche necessarie per comprendere il sonno nel quadro della criticità. “È una bellissima collaborazione tra fisica e biologia”, ha detto Wessel.
Per dimostrare che il cervello deve periodicamente reimpostare il suo sistema operativo, i ricercatori hanno recentemente registrato l’attività cerebrale dei ratti addormentati per la pubblicazione sulla rivista Nature Neuroscience.
Il sonno è un requisito fondamentale, proprio come il cibo e le bevande. “Senza di esso morirete”, ha avvertito Keith Hengen, assistente professore di biologia alla Washington University di St. Louis.
Ma cosa comporta il sonno? Per anni gli accademici hanno potuto solo affermare che il sonno riduce la stanchezza, il che non è certo una spiegazione soddisfacente per un bisogno umano fondamentale.
“Il cervello è come un computer biologico”, ha detto Hengen. “La memoria e l’esperienza durante la veglia modificano il codice poco a poco, allontanando lentamente il sistema più ampio da uno stato ideale. Lo scopo centrale del sonno è ripristinare uno stato computazionale ottimale.”
I coautori dell’articolo includono Ralf Wessel, professore di fisica; Yifan Xu, uno studente laureato in biologia che studia neuroscienze; e Aidan Schneider, uno studente laureato nel programma di biologia computazionale e dei sistemi, tutti in arti e scienze.
Wessel ha detto che i fisici pensano alla criticità da più di 30 anni, ma non avrebbero mai immaginato che il lavoro avrebbe avuto implicazioni sul sonno. Nel mondo della fisica, la criticità descrive un sistema complesso che esiste nel punto critico tra ordine e caos. “A un estremo, tutto è completamente regolare. All’altro estremo, tutto è casuale”, ha detto Wessel.
La criticità massimizza la codifica e l’elaborazione delle informazioni, rendendola un candidato attraente per un principio generale della neurobiologia. In uno studio del 2019, Hengen e Wessel hanno stabilito che il cervello lavora attivamente per mantenere la criticità.
Nel nuovo articolo, il team fornisce la prima prova diretta che il sonno ripristina la potenza computazionale del cervello. Si tratta di un cambiamento radicale rispetto al presupposto di lunga data secondo cui il sonno deve in qualche modo ricostituire le sostanze chimiche misteriose e sconosciute esaurite durante le ore di veglia.
Dopo il loro articolo del 2019, Hengen e Wessel hanno teorizzato che apprendere, pensare ed essere svegli devono allontanare il cervello dalle criticità e che il sonno è nella posizione perfetta per ripristinare il sistema. “Ci siamo resi conto che questa sarebbe stata una spiegazione davvero interessante e intuitiva per lo scopo principale del sonno”, ha detto Hengen. “Il sonno è una soluzione a livello di sistema per un problema a livello di sistema.”
Per testare la loro teoria sul ruolo della criticità nel sonno, i ricercatori hanno monitorato il picco di molti neuroni nel cervello di giovani ratti mentre svolgevano le loro normali routine di sonno e veglia.
“Puoi seguire queste piccole cascate di attività attraverso la rete neurale”, ha detto Hengen. Queste cascate, chiamate anche valanghe neurali, riflettono il modo in cui le informazioni fluiscono attraverso il cervello, ha detto.
“In condizioni critiche, possono verificarsi valanghe di tutte le dimensioni e durate. Lontano dalla criticità, il sistema diventa sbilanciato verso solo piccole valanghe o solo grandi valanghe. Questo è analogo a scrivere un libro ed essere in grado di usare solo parole brevi o lunghe.”
Come previsto, nei ratti appena risvegliati dal sonno ristoratore si sono verificate valanghe di tutte le dimensioni. Nel corso del risveglio, le cascate hanno iniziato a spostarsi verso dimensioni sempre più piccole.
I ricercatori hanno scoperto che potevano prevedere quando i ratti stavano per addormentarsi o svegliarsi monitorando la distribuzione delle valanghe. Quando le dimensioni della cascata furono ridotte fino a un certo punto, il sonno non era lontano.
“I risultati suggeriscono che ogni momento di veglia spinge i circuiti cerebrali rilevanti lontano dalla criticità, e il sonno aiuta il cervello a resettarsi”, ha detto Hengen.
Quando i fisici svilupparono per la prima volta il concetto di criticità alla fine degli anni ’80, stavano osservando mucchi di sabbia su una griglia simile a una scacchiera, uno scenario apparentemente molto lontano dal cervello. Ma quei mucchi di sabbia hanno fornito una visione importante, ha detto Wessel.
Se migliaia di chicchi vengono gettati sulla griglia seguendo semplici regole, le pile raggiungono rapidamente uno stato critico in cui iniziano ad accadere cose interessanti.
Le valanghe, sia grandi che piccole, possono iniziare senza preavviso e i mucchi in un quadrato iniziano a riversarsi negli altri. “L’intero sistema si organizza in qualcosa di estremamente complesso”, ha detto.
Le valanghe neurali che si verificano nel cervello sono molto simili alle valanghe di sabbia su una griglia, ha detto Wessel. In ogni caso, le cascate sono il segno distintivo di un sistema che ha raggiunto il suo stato più complesso.
Secondo Hengen, ogni neurone è come un granello di sabbia individuale che segue regole molto elementari. I neuroni sono essenzialmente interruttori on/off che decidono se attivarsi o meno in base a input diretti.
Se miliardi di neuroni riescono a raggiungere il punto critico – il punto debole tra troppo ordine e troppo caos – possono lavorare insieme per formare qualcosa di complesso e meraviglioso.
“La criticità massimizza un insieme di caratteristiche che sembrano molto desiderabili per un cervello”, ha detto Hengen.
Il nuovo studio è stato uno sforzo multidisciplinare. Hengen, Xu e Schneider hanno progettato gli esperimenti e fornito i dati, mentre Wessel si è unito al team per implementare le equazioni matematiche necessarie per comprendere il sonno nel quadro della criticità. “È una bellissima collaborazione tra fisica e biologia”, ha detto Wessel.
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