Decodificare come i nostri cervelli ricordano l'ordine degli eventi

Le nostre vite sono piene di eventi che accadono nel tempo. Ad esempio, ricordiamo cosa abbiamo fatto ieri, l’ordine in cui abbiamo fatto le cose e quanto tempo ci è voluto. Il nostro cervello ci aiuta a tenere traccia di questi ricordi in un certo ordine perché è importante per la nostra vita quotidiana. Se non potessimo ricordare l’ordine degli eventi, sarebbe difficile pianificare il futuro o imparare dal passato.

In alcuni casi, le persone possono perdere questa abilità. Per esempio, alcuni pazienti con danni a parti specifiche del cervello, come il talamo, faticano a ricordare l’ordine e i dettagli degli eventi. Altri studi mostrano che se ci sono danni ai percorsi tra certe aree del cervello, le persone possono dimenticare l’ordine degli eventi che hanno vissuto prima. Questo tipo di perdita di memoria non influisce su come ricordano fatti o informazioni non temporali.

I ricercatori hanno visto anche che alcune aree del cervello nei roditori sono collegate alla memoria dell’ordine in cui accadono le cose. Questo suggerisce che diverse parti del cervello sono dedicate ad aiutarci a tenere traccia dei nostri ricordi nel tempo. Nella nostra memoria di lavoro, l’ordine degli oggetti che ricordiamo è legato a una certa attività cerebrale che si verifica in cicli.

Per quanto riguarda i ricordi a lungo termine, ricerche passate sugli esseri umani hanno dimostrato che certi Neuroni del cervello sono attivi quando viviamo eventi e possono tenere traccia di quando sono accaduti. Questo suggerisce che il cervello umano ha meccanismi speciali per ricordare l’ordine degli eventi nella nostra vita.

Nel nostro studio, volevamo vedere se i processi cerebrali che ci aiutano a ricordare l’ordine delle cose quando formiamo per la prima volta questi ricordi sono gli stessi di quelli usati quando cerchiamo di richiamarli in seguito. In particolare, eravamo curiosi di sapere se gli stessi gruppi di neuroni si attivano sia quando codifichiamo i ricordi che quando li recuperiamo. Se questo è vero, significherebbe che i neuroni hanno un codice condiviso che funziona durante entrambi i processi di memoria.

Ricerche precedenti suggerivano che alcuni neuroni, noti come cellule temporali, potrebbero funzionare in modo diverso durante la Codifica e il recupero della memoria. Le cellule temporali sono attive in momenti specifici e possono aiutare a tenere traccia del timing degli eventi, ma potrebbero non connettersi nello stesso modo durante il ricordo. Questo ha sollevato la domanda di come i dettagli dell’ordine Temporale vengano trasferiti nel cervello.

Per indagare questo, abbiamo esaminato l'attività neuronale in una parte del cervello chiamata lobo temporale mediale mentre i partecipanti partecipavano a una caccia al tesoro virtuale. In questo compito, dovevano ricordare l’identità di vari oggetti, dove li avevano trovati e l’ordine in cui li avevano raccolti. Dopo aver raccolto gli oggetti, i partecipanti dovevano rispondere a domande sui loro luoghi, sugli oggetti stessi e sull’ordine in cui erano stati raccolti.

Durante ogni test, incontravano oggetti diversi uno dopo l’altro, e la loro precisione nel ricordare l’ordine di questi oggetti era alta, con una media di circa il 90%. Questo ci ha permesso di registrare l'attività neuronale in modo naturale mentre navigavano e raccoglievano oggetti.

Analizzando l'elettricità di neuroni singoli e gruppi di neuroni, abbiamo scoperto che tre popolazioni distinte di neuroni svolgono ruoli specifici nel ricordare l’ordine degli oggetti. Alcuni neuroni erano principalmente coinvolti nella codifica dell'ordine, altri si concentravano sul richiamarlo e alcuni erano attivi in entrambi i processi contemporaneamente. Interessantemente, abbiamo trovato che un piccolo numero di neuroni attivi poteva tenere efficacemente traccia dell’ordine degli eventi.

Abbiamo registrato l'attività neuronale da pazienti che avevano epilessia mentre completavano il compito della caccia al tesoro. Il compito richiedeva ai partecipanti di navigare in un ambiente virtuale, raccogliere oggetti nascosti in scrigni e ricordarne l’identità e l’ordine di raccolta.

Nel corso del compito, i partecipanti dovevano trovare oggetti diversi e le loro prestazioni miglioravano con la pratica. Ci siamo concentrati su come questi neuroni erano attivati quando i partecipanti navigavano per raccogliere gli oggetti. Abbiamo scoperto che neuroni specifici erano più attivi a seconda dell'ordine in cui gli oggetti venivano presentati. Questo significa che i loro tassi di attivazione cambiavano a seconda se erano il primo, il secondo o il terzo oggetto raccolto.

Durante la navigazione verso ciascun oggetto, abbiamo notato che alcuni neuroni avevano una forte risposta quando i partecipanti raccoglievano il primo oggetto, suggerendo una preferenza per ricordare l’ordine di quell'oggetto. Questa attività ha continuato a mostrare chiare preferenze, anche quando abbiamo esaminato periodi di tempo più brevi durante i compiti di raccolta. I neuroni mostravano le stesse preferenze indipendentemente da quanto tempo i partecipanti impiegassero a raccogliere gli oggetti.

Abbiamo confrontato i tassi di attivazione di neuroni singoli e multipli per vedere quanto bene comunicassero informazioni riguardo all'ordine. Entrambi i tipi di risposta neuronale mostravano forti preferenze per posizioni specifiche all'interno dell'ordine. Questo suggerisce che i neuroni non sono solo legati all’identità degli oggetti, ma piuttosto alle loro posizioni temporali nella memoria.

Abbiamo poi indagato come i neuroni in diverse regioni del lobo temporale mediale fossero coinvolti in questo processo. Abbiamo replicato le scoperte che mostrano che i neuroni in regioni come l'ippocampo, l'amigdala e la corteccia entorinale erano selettivi per l'ordine degli eventi. Notabilmente, abbiamo trovato una selettività simile anche in altre regioni, indicando un meccanismo diffuso per tenere traccia dell'ordine temporale.

Successivamente, volevamo vedere se potevamo usare i tassi di attivazione di questi neuroni per prevedere l’ordine degli oggetti durante il Richiamo. Utilizzando un classificatore SVM (Support Vector Machine), abbiamo utilizzato i tassi di attivazione dei neuroni come caratteristiche per la classificazione. I nostri risultati hanno mostrato che potevamo classificare le posizioni temporali significativamente meglio del caso, suggerendo che i neuroni codificano efficacemente l'ordine temporale.

Quando ai partecipanti è stato chiesto di richiamare l'ordine degli oggetti, i neuroni mostravano un’aumentata attività quando veniva menzionato un oggetto di una posizione specifica. Questo significa che anche durante la fase di richiamo, i neuroni mantenevano la loro connessione all’ordine originale degli eventi.

Abbiamo anche testato se il periodo iniziale di richiamo delle informazioni contenesse abbastanza dati temporali. Analizzando i tassi di attivazione specificamente durante i tempi di risposta più rapidi, abbiamo confermato che c’era sufficiente informazione disponibile all'inizio, simile alle risposte durante l'intero periodo di richiamo.

Interessante è che abbiamo trovato che più neuroni erano attivi e selettivi durante il richiamo rispetto alla codifica. Questo suggerisce che mentre richiamo i ricordi, diversi gruppi di neuroni possono essere coinvolti.

Abbiamo identificato un gruppo centrale di neuroni che è rimasto selettivo sia durante la codifica che durante il richiamo. Questi neuroni mostravano una preferenza costante per posizioni temporali specifiche, indicando che svolgono un ruolo chiave in entrambi i processi. Quando abbiamo addestrato il nostro classificatore SVM su questo piccolo gruppo durante la codifica, è stato in grado di prevedere accuratamente l’ordine anche durante il richiamo.

Questo suggerisce che alcuni neuroni sono essenziali per tenere traccia dell’ordine degli eventi dall'inizio alla fine. Inoltre, abbiamo scoperto che un semplice meccanismo di codifica, che impiega un numero ridotto di neuroni attivi, può aiutarci a ricordare efficacemente l’ordine degli eventi passati.

Inoltre, i neuroni che abbiamo studiato erano attivi durante l’intero periodo di navigazione, indicando che il loro ruolo nell'esplorare e richiamare i ricordi è strettamente legato. Al contrario, le cellule temporali che scattano in momenti specifici nei compiti non sembrano svolgere lo stesso ruolo nel mantenere un senso di sequenza per periodi più lunghi.

La selettività costante per le posizioni temporali in diverse parti del lobo temporale mediale suggerisce che esiste un codice universale per la memoria temporale nei nostri cervelli. I dettagli esatti di come questi meccanismi operano sono ancora in fase di esplorazione, ma le nostre scoperte mettono in evidenza l'importanza di comprendere come si formano e vengono richiamati i ricordi.

In sintesi, il nostro studio fa luce su come diversi gruppi di neuroni all'interno del lobo temporale mediale lavorino insieme per aiutarci a ricordare l’ordine degli eventi. Suggerisce che gli stessi neuroni possono supportare sia la formazione che il richiamo di questi ricordi, il che potrebbe fornire un modo più efficiente di elaborare informazioni basate sul tempo. Ulteriori ricerche sono necessarie per svelare le complessità di come questi meccanismi interagiscono e come possano funzionare in diversi tipi di memoria.