Gli scienziati hanno sviluppato un metodo innovativo per misurare con estrema precisione la quantità di informazioni che il cervello umano può immagazzinare, una scoperta che potrebbe rivoluzionare il nostro modo di comprendere i processi di apprendimento e memorizzazione. Questa ricerca apre nuove strade nella neuroscienza, offrendo spunti che potrebbero avere implicazioni significative non solo per l’educazione e la formazione, ma anche per la comprensione di condizioni neurologiche complesse e delle dinamiche di invecchiamento cerebrale.
Misurare la memoria cerebrale
Simile ai computer, la memoria del cervello umano è misurata in “bit“, un’unità di misura che quantifica la capacità di immagazzinamento delle informazioni. La capacità di memoria del cervello dipende in gran parte dalle connessioni sinaptiche tra i neuroni, che sono i punti di comunicazione attraverso i quali i segnali nervosi vengono trasmessi.
Tradizionalmente, gli scienziati hanno ritenuto che queste sinapsi avessero un numero relativamente limitato di dimensioni e livelli di forza, il che sembrava imporre un vincolo rigido sulla quantità di informazioni che il cervello poteva immagazzinare. Tuttavia, recenti studi hanno iniziato a mettere in discussione questa teoria, suggerendo che il cervello potrebbe in realtà avere una capacità di memoria molto maggiore di quanto precedentemente stimato. Questa nuova ricerca ha utilizzato metodologie innovative per analizzare con maggiore precisione la forza delle connessioni sinaptiche, rivelando che il cervello umano potrebbe essere in grado di contenere fino a dieci volte più informazioni di quanto si pensasse in passato. Questo cambiamento di paradigma potrebbe avere profonde implicazioni per la nostra comprensione del funzionamento del cervello e delle sue capacità cognitive.
La nuova metodologia
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno sviluppato un metodo estremamente preciso per valutare la forza delle connessioni sinaptiche tra i neuroni in una specifica regione del cervello di un ratto, aprendo così la strada a una comprensione più dettagliata e accurata di come le sinapsi contribuiscono all’apprendimento e alla memoria.
Queste sinapsi, che costituiscono la base dell’apprendimento e della memoria, sono i punti in cui le cellule cerebrali comunicano tra loro, scambiando informazioni e formando le reti neuronali che supportano tutte le funzioni cognitive. Capire come le sinapsi si rafforzano e si indeboliscono è cruciale per comprendere i meccanismi alla base dell’apprendimento, della memorizzazione e del recupero delle informazioni.
Gli scienziati hanno utilizzato una serie di tecniche avanzate per misurare con grande precisione la quantità di informazioni che queste connessioni possono immagazzinare, tenendo conto di vari fattori che influenzano la trasmissione sinaptica. L’analisi dettagliata, pubblicata sulla rivista Neural Computation il 23 aprile, dimostra come questo nuovo metodo potrebbe non solo migliorare la nostra comprensione dei processi di apprendimento, ma anche offrire nuove prospettive sull’invecchiamento cerebrale e sulle malattie neurodegenerative che compromettono le connessioni sinaptiche e, di conseguenza, le funzioni cognitive.
Come funziona il cervello umano?
“Questi approcci arrivano al cuore della capacità di elaborazione delle informazioni dei circuiti neurali“, ha detto Jai Yu, assistente professore di neurofisiologia presso l’Università di Chicago, che non è stato direttamente coinvolto nella ricerca. “Essere in grado di stimare la quantità di informazioni che possono essere potenzialmente rappresentate è un passo fondamentale verso la comprensione della capacità del cervello di eseguire calcoli complessi“.
Questa dichiarazione sottolinea l’importanza del nuovo studio, che non solo avanza la nostra conoscenza della struttura e della funzione del cervello, ma apre anche nuove possibilità per applicazioni pratiche in campo medico e tecnologico. Il cervello umano contiene più di 100 trilioni di sinapsi, ognuna delle quali svolge un ruolo cruciale nella trasmissione di informazioni attraverso le reti neurali.ù
Durante il processo di apprendimento, alcune sinapsi si rafforzano mentre altre si indeboliscono, un fenomeno noto come plasticità sinaptica, che è essenziale per la formazione di nuove memorie e per l’adattamento a nuove esperienze. Questo rafforzamento sinaptico, che consente di conservare nuove informazioni, è alla base della nostra capacità di apprendere e adattarci. Tuttavia, con l’avanzare dell’età o in presenza di malattie neurologiche come l’Alzheimer, le sinapsi possono diventare meno attive e si indeboliscono, compromettendo le prestazioni cognitive e la capacità di immagazzinare e recuperare i ricordi.
Invecchiamento e malattie neurologiche
Con l’età o lo sviluppo di malattie neurologiche come l’Alzheimer, le sinapsi diventano meno attive e si indeboliscono, riducendo significativamente le prestazioni cognitive e la nostra capacità di immagazzinare e recuperare i ricordi. Questo processo di indebolimento sinaptico è uno dei principali fattori che contribuiscono al declino cognitivo associato all’invecchiamento e a varie malattie neurodegenerative.
Comprendere i meccanismi alla base di questo declino è essenziale per sviluppare interventi terapeutici efficaci. Gli scienziati possono misurare la forza delle sinapsi osservandone le caratteristiche fisiche e analizzando i messaggi chimici inviati da un neurone all’altro attraverso le sinapsi. Inoltre, i ricercatori utilizzano coppie di sinapsi per studiare la precisione della plasticità sinaptica, ovvero la capacità delle sinapsi di rafforzarsi o indebolirsi in risposta all’attività neuronale. Tuttavia, misurare la precisione della plasticità sinaptica e determinare la quantità di informazioni che una singola sinapsi può immagazzinare si è rivelato un compito estremamente complesso e sfidante. Il nuovo studio ha affrontato queste sfide utilizzando un approccio innovativo che consente di ottenere misurazioni più precise e affidabili.
La Teoria dell’Informazione
Per misurare la forza e la plasticità sinaptica, il team di ricerca ha sfruttato la teoria dell’informazione, un approccio matematico che permette di comprendere come le informazioni vengono trasmesse attraverso un sistema complesso come il cervello. Questo metodo consente agli scienziati di quantificare la quantità di informazioni che possono essere trasmesse attraverso le sinapsi, tenendo conto anche del “rumore di fondo” del cervello, ovvero delle variazioni casuali che possono influenzare la trasmissione dei segnali nervosi.
Le informazioni trasmesse attraverso le sinapsi sono misurate in bit, una misura che indica la quantità di dati che una sinapsi può immagazzinare. Secondo Terrence Sejnowski, co-autore senior dello studio e capo del Laboratorio di Neurobiologia Computazionale presso il Salk Institute for Biological Studies, un bit corrisponde a una sinapsi che invia trasmissioni a due forze, mentre due bit consentono quattro intensità, e così via. Questo significa che una sinapsi con un numero maggiore di bit può immagazzinare più informazioni rispetto a una con meno bit, aumentando così la capacità complessiva di memoria del cervello.
Scoperte sull’ippocampo del ratto
Il team di ricerca ha condotto un’analisi approfondita delle coppie di sinapsi nell’ippocampo di un ratto, una regione del cervello che svolge un ruolo cruciale nei processi di apprendimento e formazione della memoria. Queste coppie di sinapsi erano posizionate in prossimità l’una dell’altra e venivano attivate in risposta allo stesso tipo e quantità di segnali cerebrali. I ricercatori hanno osservato che, dato lo stesso input, queste coppie di sinapsi si rafforzavano o si indebolivano esattamente nella stessa misura, suggerendo che il cervello è altamente preciso nella regolazione della forza sinaptica.
L’analisi ha rivelato che le sinapsi nell’ippocampo possono immagazzinare tra 4,1 e 4,6 bit di informazioni. Questi risultati confermano le conclusioni di uno studio precedente, condotto anch’esso sul cervello dei ratti, ma utilizzando un metodo meno preciso. Kevin Fox, professore di neuroscienze presso l’Università di Cardiff, ha sottolineato che questo nuovo studio aiuta a confermare l’ipotesi che le sinapsi possano trasportare molto più di un bit ciascuna, un’idea che sta guadagnando sempre più consenso tra i neuroscienziati.
Futuri sviluppi
I risultati di questo nuovo studio si basano sull’analisi di una piccola area dell’ippocampo del ratto, quindi non è ancora chiaro come questi dati possano essere generalizzati a un intero cervello di ratto o umano. Sarà necessario condurre ulteriori ricerche per determinare come la capacità di immagazzinare informazioni varia nelle diverse aree del cervello e tra le diverse specie.
Jai Yu ha sottolineato che sarà interessante esplorare come queste variazioni influenzino le capacità cognitive e la plasticità sinaptica in un contesto più ampio. In futuro, il metodo sviluppato dal team di ricerca potrebbe essere utilizzato per confrontare la capacità di archiviazione di informazioni di diverse aree del cervello, fornendo così una mappa dettagliata delle capacità cognitive e della memoria in vari stati di salute e malattia. Questo approccio potrebbe anche essere utilizzato per studiare una singola area del cervello sia in condizioni di salute che in presenza di patologie neurodegenerative, offrendo nuove prospettive per lo sviluppo di interventi terapeutici mirati.
