Dimensione della pupilla e attività cerebrale: uno sguardo più profondo

I nostri cervelli elaborano le informazioni in base a ciò che vediamo e viviamo, e questo processo è influenzato da vari fattori intorno a noi. Un fattore importante è il nostro livello di allerta o eccitazione, che può cambiare il modo in cui il cervello risponde alle informazioni. Un modo comune per misurare l'eccitazione è osservare i cambiamenti nella Dimensione della pupilla. Tuttavia, il modo in cui la dimensione della pupilla si relaziona ai cambiamenti nell'attività cerebrale e quali fattori specifici influenzano questi cambiamenti non è del tutto chiaro.

Un ottimo posto per studiare questi effetti è nel talamo visivo, una parte del cervello che elabora le informazioni visive. I neuroni in quest'area mostrano schemi di attivazione distinti a seconda dell'eccitazione. Si notano due schemi principali: attivazione a scatti e attivazione tonica. L'attivazione a scatti tende a verificarsi quando una persona è meno allerta, mentre l'attivazione tonica si verifica quando l'allerta aumenta. Il modo in cui si verificano questi schemi di attivazione può influenzare come le informazioni fluiscono verso altre aree del cervello responsabili dell'elaborazione di ciò che vediamo.

Molti studi precedenti hanno esaminato l'eccitazione utilizzando una sola misura alla volta, ma sta diventando chiaro che l'eccitazione non è uno stato semplice e unidimensionale. Invece, il nostro stato può variare in base a una combinazione di molti fattori. Ad esempio, studi che hanno esaminato sia il movimento che i cambiamenti nella dimensione della pupilla hanno trovato effetti diversi sull'attività cerebrale. Questo suggerisce che come i nostri sensi reagiscono dipende da più processi che avvengono contemporaneamente.

#Comprendere la Dinamica della Pupilla e l'Attività Neurale

Per andare oltre, avevamo bisogno di studiare come il talamo visivo (specificamente, una parte chiamata nucleo genicolato dorsolaterale, o dLGN) risponde ai cambiamenti nella dimensione della pupilla nel tempo. Abbiamo scoperto che entrambi i tipi di attività-tonica e a scatti-sono collegati ai cambiamenti nella dimensione della pupilla su vari periodi di tempo, da secondi a minuti. Interessante, i picchi tonici e i picchi a scatti rispondevano in modi opposti ai cambiamenti nella dimensione della pupilla. Questa relazione non era spiegata solo dalla dimensione della pupilla stessa, ma poteva avvenire senza cambiamenti evidenti nel movimento o nei movimenti oculari. Abbiamo anche osservato che questi schemi persistevano anche quando mostravamo film naturali ai partecipanti, indicando che i cambiamenti legati all'eccitazione nell'attività cerebrale giocano un ruolo nell'elaborazione delle informazioni visive.

#Metodo di Investigazione

Per capire meglio come l'attività neurale sia influenzata dai cambiamenti nella dimensione della pupilla, abbiamo allestito un esperimento in cui gli animali potevano muoversi liberamente mentre registravamo la dimensione della pupilla e l'attività cerebrale. Ci siamo concentrati principalmente sul dLGN mantenendo un occhio attento sulla dimensione della pupilla e sulla velocità di movimento. Come previsto, la dimensione della pupilla fluttuava frequentemente e variava con i livelli di attività degli animali. Notevolmente, la dimensione della pupilla non si allineava sempre direttamente con i periodi di movimento, suggerendo che diversi stati interni possono coesistere anche quando il comportamento sembra lo stesso.

#Analizzando l'Attività Neurale

Abbiamo esaminato come i tassi di attivazione dei neuroni nel dLGN cambiassero in relazione alla dimensione della pupilla su vari periodi di tempo. L'attività di attivazione dei neuroni è stata raccolta in brevi intervalli di tempo, e abbiamo osservato che c'era una relazione complessa e non lineare tra la dimensione della pupilla e i tassi di attivazione neurale. Per molti neuroni, i tassi di attivazione più forti non si verificavano sempre quando la dimensione della pupilla era al massimo. Infatti, la maggior parte dei neuroni mostrava cambiamenti significativi in base alle diverse dimensioni della pupilla.

La variabilità nei tassi di attivazione all'interno di specifici gruppi di dimensioni della pupilla era notevolmente alta. Questo suggeriva che altri fattori contribuivano a come i neuroni del dLGN si attivavano, potenzialmente da processi interni non legati all'input visivo. È importante notare che abbiamo anche identificato spostamenti nei tassi di attivazione che erano associati a diverse fasi della dinamica della pupilla, mostrando che le fluttuazioni nella dimensione della pupilla potrebbero verificarsi indipendentemente da quanto fosse ristretta o dilatata la pupilla.

#Esplorando i Componenti della Dimensione della Pupilla

Per catturare meglio come i cambiamenti della dimensione della pupilla influenzassero l'attività neurale, abbiamo impiegato una tecnica per scomporre le fluttuazioni della dimensione della pupilla in componenti distinti. Questo ci ha permesso di esaminare come diverse scale temporali influenzassero l'attività cerebrale in modo più specifico. Abbiamo scoperto che i cambiamenti nella dimensione della pupilla potevano essere descritti su varie scale temporali, e abbiamo estratto questi segnali senza imporre assunzioni precedenti sulle loro caratteristiche.

La scomposizione ha rivelato che ogni componente delle dinamiche della pupilla aveva il proprio impatto unico sull'attivazione neurale. Abbiamo identificato che entrambi i tipi di attività di picco-tonica e a scatti-erano strettamente legati alle attività di questi componenti, con ciascun tipo che mostrava preferenze per diverse fasi delle dinamiche della pupilla.

#Accoppiamento di Fase Tra Attività Neurale e Dinamiche della Pupilla

Indagando come i picchi nel dLGN si correlassero con le dinamiche della pupilla, abbiamo stabilito un quadro per capire queste interazioni. La nostra analisi ha rivelato che i picchi tonici erano legati a determinate fasi delle dinamiche della pupilla, mentre i picchi a scatti mostravano una preferenza per fasi opposte. Questa relazione era vera per quasi tutti i neuroni del dLGN che abbiamo studiato.

Il forte accoppiamento che abbiamo osservato suggeriva che il dLGN è sensibile ai cambiamenti nelle dinamiche della pupilla, indipendentemente da comportamenti evidenti come movimento o cambiamenti oculari. Anche durante la presentazione di stimoli visivi, come film naturali, questi schemi di accoppiamento tendevano a mantenersi, suggerendo che le fluttuazioni legate all'eccitazione nella dimensione della pupilla potessero influenzare come le informazioni visive venivano elaborate.

#Il Ruolo degli Stati Comportamentali

Successivamente, volevamo indagare se i cambiamenti nell'attività di picco fossero più guidati dai cambiamenti negli stati comportamentali, come muoversi o stare fermi, piuttosto che solo dalle dinamiche della pupilla. Abbiamo scoperto che sia la locomo sia i periodi di quiete influenzavano i tassi di attivazione neurale, ma in modo interessante, l'accoppiamento che abbiamo osservato tra l'attività di picco del dLGN e le dinamiche della pupilla non dipendeva solo da queste transizioni comportamentali.

Analizzando periodi specifici di quiete, abbiamo notato che l'accoppiamento dell'attività del dLGN alle dinamiche della pupilla rimaneva forte, simile a quando abbiamo analizzato l'intero sessione. Questa coerenza indicava che l'influenza delle dinamiche della pupilla sull'attivazione neurale persisteva indipendentemente dai movimenti.

#Influenze degli Stimoli Visivi

Nell'esplorare come gli stimoli visivi naturali influenzassero l'accoppiamento che abbiamo osservato, abbiamo presentato clip di film mentre registravamo sia le dimensioni della pupilla che l'attività del dLGN. Durante questi esperimenti, mentre i neuroni rispondevano agli stimoli visivi, abbiamo scoperto che la variabilità nei loro tassi di attivazione era spesso maggiore della risposta media allo stimolo stesso. Questo indicava che altri fattori interni, come le dinamiche della pupilla legate ai livelli di eccitazione, stavano guidando fluttuazioni significative nei tassi di attivazione.

Quando abbiamo valutato come le dinamiche della pupilla influenzassero le risposte agli stimoli visivi, abbiamo visto che i neuroni dimostravano schemi di attività diversi in base alla fase delle dinamiche della pupilla. La forza di accoppiamento tra l'attività del dLGN e le dinamiche della pupilla era generalmente più debole durante la visione di stimoli visivi rispetto a periodi più tranquilli. Tuttavia, sono stati comunque osservati rapporti significativi.

#Neuroni e le Loro Risposte Uniche

All'interno della popolazione di neuroni analizzati, c'era una notevole diversità nel modo in cui ciascuno rispondeva ai cambiamenti nelle dinamiche della pupilla. Alcuni neuroni mostravano una modulazione significativa a cambiamenti rapidi mentre altri preferivano dinamiche più lente. Questa variabilità riflette probabilmente i diversi tipi di neuroni presenti nel dLGN, ognuno dei quali potrebbe essere influenzato dall'eccitazione in modi distinti a seconda del loro ruolo funzionale.

Pertanto, mentre il nostro studio ha scoperto percorsi comuni tra l'attività del dLGN e le dinamiche della pupilla, ha anche evidenziato l'individualità delle risposte neuronali, suggerendo che le caratteristiche uniche di ciascun neurone possono plasmare il modo in cui elaboriamo le informazioni sensoriali.

#Conclusione

In sintesi, i nostri risultati colmano le lacune nella comprensione di come l'eccitazione e l'elaborazione sensoriale siano intrecciate nel cervello. L'accoppiamento osservato tra l'attività del dLGN e le dinamiche della pupilla su più scale temporali dimostra che la nostra risposta agli stimoli è influenzata da un complesso intreccio di stati interni. Riconoscere che l'eccitazione può plasmare l'elaborazione sensoriale in modi sfumati potrebbe affinare il nostro approccio allo studio di come il cervello opera durante diversi stati di allerta.

Rivelando la natura multi-scalare delle modulazioni legate all'eccitazione attraverso uno sguardo dettagliato sulle dinamiche della pupilla e sull'attività neurale, abbiamo aperto la strada a ulteriori esplorazioni nelle intricate relazioni che definiscono le esperienze sensoriali nel cervello. Gli studi futuri possono concentrarsi su come vari fattori interagiscono nel tempo e come influenzano la nostra percezione del mondo che ci circonda.