La dinamica dell'attività neurale del cervello di un topo si comporta in modo peculiare, modo inaspettato che può essere teoricamente modellato senza alcuna messa a punto, suggerisce un nuovo articolo dei fisici della Emory University. Lettere di revisione fisica pubblicato la ricerca, che si aggiunge all'evidenza che i quadri fisici teorici possono aiutare nella comprensione dell'attività cerebrale su larga scala.

"Il nostro modello teorico concorda con i precedenti lavori sperimentali sul cervello dei topi con una precisione di pochi punti percentuali, un grado molto insolito per i sistemi viventi, "dice Ilya Nemenman, Emory professore di fisica e biologia e autore senior del documento.

La prima autrice è Mia Morrell, che ha svolto la ricerca per la sua tesi di laurea con specializzazione in fisica di Emory. Si è laureata alla Emory l'anno scorso ed è ora in un programma di fisica post-diploma di maturità presso il Los Alamos National Laboratory nel New Mexico.

"Una delle cose meravigliose del nostro modello è che è semplice, "dice Morrel, chi inizierà un dottorato di ricerca programma in fisica alla New York University in autunno. "Un cervello è davvero complesso. Quindi distillare l'attività neurale in un modello semplice e scoprire che il modello può fare previsioni che corrispondono così strettamente ai dati sperimentali è eccitante".

Il nuovo modello potrebbe avere applicazioni per studiare e prevedere una gamma di sistemi dinamici che hanno molti componenti e hanno input variabili nel tempo, dall'attività neurale di un cervello all'attività commerciale di un mercato azionario.

Co-autrice dell'articolo è Audrey Sederberg, un ex borsista post-dottorato nel gruppo di Nemenman, che ora è alla facoltà dell'Università del Minnesota.

Il lavoro si basa su un concetto fisico noto come fenomeni critici, utilizzato per spiegare le transizioni di fase nei sistemi fisici, come l'acqua che cambia da liquida a gassosa.

In forma liquida, le molecole d'acqua sono fortemente correlate tra loro. In un solido, sono bloccati in uno schema prevedibile di cristalli identici. In una fase gassosa, però, ogni molecola si muove da sola.

"In quello che è noto come un punto critico per un liquido, non puoi distinguere se il materiale è liquido o vapore, "Spiega Nemenman. "Il materiale non è né perfettamente ordinato né disordinato. Non è né totalmente prevedibile né totalmente imprevedibile. Si dice che un sistema in questo punto "giusto" di Riccioli d'oro sia "critico".

Temperature e pressioni molto elevate generano questo punto critico per l'acqua. E la struttura dei punti critici è la stessa in molti sistemi apparentemente non correlati. Per esempio, l'acqua che si trasforma in un gas e un magnete che perde il suo magnetismo mentre si riscalda sono descritti dallo stesso punto critico, quindi le proprietà di queste due transizioni sono simili.

Per osservare effettivamente un materiale in un punto critico per studiarne la struttura, i fisici devono controllare strettamente gli esperimenti, regolando i parametri all'interno di un intervallo straordinariamente preciso, un processo noto come messa a punto.

Negli ultimi decenni, alcuni scienziati hanno iniziato a pensare al cervello umano come a un sistema critico. Gli esperimenti suggeriscono che l'attività cerebrale risiede in un punto di Riccioli d'oro, proprio in un punto critico di transizione tra ordine perfetto e disordine.

"I neuroni del cervello non funzionano come una grande unità, come un esercito che marcia insieme, ma non si comportano nemmeno come una folla di persone che corrono in tutte le direzioni diverse, " dice Nemenman. "L'ipotesi è che, all'aumentare della distanza effettiva tra i neuroni, le correlazioni tra la loro attività diminuiranno, ma non scenderanno a zero. L'intero cervello è accoppiato, comportandosi come un grande, macchina interdipendente, anche mentre i singoli neuroni variano nella loro attività".

I ricercatori hanno iniziato a cercare segnali reali di fenomeni critici all'interno del cervello. Hanno esplorato una domanda chiave:cosa mette a punto il cervello per raggiungere la criticità?

Nel 2019, un team della Princeton University ha registrato i neuroni nel cervello di un topo mentre correva in un labirinto virtuale. Hanno applicato strumenti di fisica teorica sviluppati per sistemi non viventi ai dati sull'attività neurale del cervello di topo. I loro risultati hanno suggerito che l'attività neurale mostra correlazioni critiche, consentendo previsioni su come le diverse parti del cervello saranno correlate tra loro nel tempo e su distanze effettive all'interno del cervello.

Per il documento attuale, i ricercatori di Emory volevano verificare se la messa a punto di particolari parametri fosse necessaria per l'osservazione della criticità negli esperimenti sul cervello di topo, o se le correlazioni critiche nel cervello potrebbero essere raggiunte semplicemente attraverso il processo di ricezione di stimoli esterni. L'idea è nata da un lavoro precedente a cui ha collaborato il gruppo di Nemenman, spiegando come i sistemi biologici possono esibire la legge di Zipf, un modello di attività unico che si trova in sistemi disparati.

"In precedenza avevamo creato un modello che mostrava la legge di Zipf in un sistema biologico, e quel modello non ha richiesto una messa a punto, " Dice Nemenman. "La legge di Zipf è una forma particolare di criticità. Per questa carta, volevamo rendere quel modello un po' più complicato, per vedere se poteva prevedere le correlazioni critiche specifiche osservate negli esperimenti sui topi".

L'ingrediente chiave del modello è un insieme di poche variabili nascoste che modulano la probabilità che i singoli neuroni siano attivi.

Morrell ha scritto il codice del computer per eseguire simulazioni e testare il modello sul suo computer desktop di casa. "La sfida più grande era scrivere il codice in un modo che gli consentisse di funzionare velocemente anche durante la simulazione di un sistema di grandi dimensioni con memoria del computer limitata senza un server enorme, " lei dice.

Il modello è stato in grado di riprodurre fedelmente i risultati sperimentali nelle simulazioni. Il modello non richiede l'attenta messa a punto dei parametri, generare un'attività apparentemente critica da qualsiasi misura su un'ampia gamma di scelte di parametri.

"I nostri risultati suggeriscono che, se non vedi un cervello come esistente da solo, ma lo vedi come un sistema che riceve stimoli dal mondo esterno, quindi puoi avere un comportamento critico senza bisogno di messa a punto, " Dice Nemenman. "Solleva la questione se qualcosa di simile possa applicarsi ai sistemi fisici non viventi. Ci fa ripensare alla nozione stessa di criticità, che è un concetto fondamentale in fisica."

Il codice del computer per il modello è ora disponibile online, in modo che chiunque abbia un computer portatile possa accedervi ed eseguire il codice per simulare un sistema dinamico con input variabili nel tempo.

"Il modello che abbiamo sviluppato può essere applicato al di là delle neuroscienze, a qualsiasi sistema in cui esiste un accoppiamento diffuso a variabili nascoste, " Dice Nemenman. "È probabile che i dati provenienti da molti sistemi biologici o sociali appaiano critici attraverso lo stesso meccanismo, senza messa a punto."