PROVIDENCE, R.I. – I ritmi beta, o onde di attività cerebrale con una frequenza di circa 20 Hz, accompagnano comportamenti fondamentali vitali come l’attenzione, la sensazione e il movimento e sono associati ad alcuni disturbi come il morbo di Parkinson. Gli scienziati hanno discusso come le onde spontanee emergono, e non hanno ancora determinato se le onde sono solo un sottoprodotto di attività, o giocare un ruolo causale nelle funzioni del cervello. Ora in un nuovo documento guidato da neuroscienziati della Brown University, hanno una nuova spiegazione meccanicistica specifica delle onde beta da considerare.

La nuova teoria, presentata nei Proceedings of the National Academy of Sciences, è il prodotto di diverse linee di prova: letture di onde cerebrali esterne da soggetti umani, sofisticate simulazioni computazionali e registrazioni elettriche dettagliate da due organismi modello mammiferi.

“Un primo passo per capire il ruolo causale del beta nel comportamento o nella patologia, e come manipolarlo per una funzione ottimale, è capire da dove viene a livello cellulare e di circuito”, ha detto l’autore corrispondente Stephanie Jones, professore associato di ricerca di neuroscienze alla Brown University. “Il nostro studio ha combinato diverse tecniche per affrontare questa domanda e ha proposto un nuovo meccanismo per la beta neocorticale spontanea. Questa scoperta suggerisce diversi possibili meccanismi attraverso i quali il beta può avere un impatto sulla funzione.”

Fare le onde

Il team ha iniziato utilizzando sensori esterni di magnetoencefalografia (MEG) per osservare le onde beta nella corteccia somatosensoriale umana, che elabora il senso del tatto, e la corteccia frontale inferiore, che è associata alla cognizione superiore.

Hanno analizzato da vicino le onde beta, scoprendo che duravano al massimo 150 millisecondi e avevano una forma d’onda caratteristica, con una grande valle ripida nel mezzo dell’onda.

La domanda da lì era quale attività neurale nella corteccia potrebbe produrre tali onde. Il team ha cercato di ricreare le onde utilizzando un modello di computer di un circuito corticale, costituito da una colonna corticale multistrato che conteneva più tipi di cellule in diversi strati. È importante notare che il modello è stato progettato per includere un tipo di cellule chiamato neuroni piramidali, la cui attività si pensa domini le registrazioni MEG umane.

Hanno scoperto che potevano replicare da vicino la forma delle onde beta nel modello fornendo due tipi di stimolazione sinaptica eccitatoria a strati distinti nelle colonne corticali di cellule: uno che era debole e di ampia durata agli strati inferiori, contattando i dendriti spinosi sui neuroni piramidali vicino al corpo cellulare; e un altro che era più forte e più breve, durata 50 millisecondi (cioè, un periodo beta), agli strati superiori, contattando i dendriti più lontani dal corpo cellulare. La forte spinta distale ha creato la valle nella forma d’onda che ha determinato la frequenza beta.

Nel frattempo hanno provato a modellare altre ipotesi su come emergono le onde beta, ma non hanno avuto successo.

Con un modello di cosa cercare, il team lo ha poi testato cercando un reale correlato biologico di esso in due modelli animali. Il team ha analizzato le misurazioni nella corteccia di topi e macachi rhesus e ha trovato la conferma diretta che questo tipo di stimolazione e risposta si è verificato attraverso gli strati corticali nei modelli animali.

“La prova definitiva delle previsioni del modello è registrare i segnali elettrici all’interno del cervello”, ha detto Jones. “

Beta nel cervello

Né i modelli informatici né le misurazioni hanno rintracciato la fonte delle stimolazioni sinaptiche eccitatorie che guidano i neuroni piramidali a produrre le onde beta, ma la Jones e i suoi coautori sostengono che probabilmente provengono dal talamo, più profondo nel cervello. Proiezioni dal talamo capita di essere esattamente nei posti giusti necessari per fornire segnali alle posizioni giuste sui dendriti dei neuroni piramidali nella corteccia. Il talamo è anche noto per inviare raffiche di attività che durano 50 millisecondi, come previsto dalla loro teoria.

Con una nuova teoria biofisica di come le onde emergono, i ricercatori sperano che il campo possa ora indagare se i ritmi beta influenzano o semplicemente riflettono il comportamento e la malattia. Il team di Jones in collaborazione con il professore di neuroscienze Christopher Moore a Brown sta ora testando le previsioni dalla teoria che beta può diminuire le funzioni di elaborazione delle informazioni sensoriali o motorie nel cervello. Le nuove ipotesi sono che gli input che creano beta possono anche stimolare i neuroni inibitori negli strati superiori della corteccia, o che possono saturare l’attività dei neuroni piramidali, riducendo così la loro capacità di elaborare le informazioni; o che i burst talamici che danno origine a beta occupano il talamo al punto che non passa le informazioni alla corteccia.

Capire questo potrebbe portare a nuove terapie basate sulla manipolazione di beta, ha detto Jones.

“Un campo attivo e crescente della ricerca in neuroscienze sta cercando di manipolare i ritmi del cervello per una funzione ottimale con tecniche di stimolazione”, ha detto. “Speriamo che la nostra nuova scoperta sull’origine neurale di beta aiuterà a guidare la ricerca per manipolare beta, e possibilmente altri ritmi, per una migliore funzione nelle patologie sensorimotorie.”

L’autore principale dello studio è lo studente laureato della Brown Maxwell Sherman. Altri autori sono Shane Lee, Robert Law, Saskia Haegens, Catherine Thorn, Matti Hamalainen e Moore.

La National Science Foundation (sovvenzione: CRCNS-1131850) e i National Institutes of Health (sovvenzioni: MH106174, MH060358, 5T32MH019118-23) hanno finanziato la ricerca.