Cervello: dopo un secolo, Yale scopre dove nascono le onde gamma (e perché è cruciale)

Da oltre un secolo gli scienziati si arrovellano sulle onde cerebrali, quelle ritmiche. Belle da vedere sui grafici, ma la loro origine precisa? Un mezzo mistero. Ora, i ricercatori dell’Università di Yale sembrano aver trovato il bandolo della matassa per le onde gamma, un tipo specifico di attività cerebrale.

Non è un dettaglio da appassionati di elettroencefalogrammi: queste onde sono quelle che risultano “sballate” in condizioni complesse come la schizofrenia, il disturbo bipolare e, soprattutto, l’Alzheimer. Capire da dove vengono significa poter, forse, trovare un biomarker precoce e interpretabile per queste malattie neurodegenerative.

Onde celebrarli a seconda della frequenza e loro diversa funzione. Le Gamma sono legate a percezioni attente e alla risoluzione dei problemi

L'”esperimento impossibile”

Il problema che ha bloccato i ricercatori per decenni è squisitamente tecnico. Come si fa a studiare un’onda cerebrale? Non è un gene che puoi “spegnere” (il cosiddetto knock-out) per vedere cosa succede.

Jessica Cardin, professoressa di neuroscienze a Yale e autrice senior dello studio pubblicato su Nature, lo ammette candidamente: “Non si può spegnere un’oscillazione o un pattern di attività senza influenzare tutto il circuito cerebrale circostante”. Per anni, ha pensato che l’esperimento perfetto fosse semplicemente impossibile.

Tutto è cambiato quando un suo ricercatore post-dottorato, Quentin Perrenoud (primo autore dello studio), le ha mostrato dati intriganti che suggerivano un legame tra le onde gamma e la previsione del comportamento. Hanno deciso di andare a fondo.

La svolta: non onde, ma “eventi”

La chiave di volta è stata la creazione di un metodo di misurazione radicalmente nuovo e molto preciso, che il team ha battezzato CBASS (Clustering Band-limited Activity by State and Spectrotemporal feature).

Finora, si pensava alle onde gamma come a un’oscillazione continua, simile a una sinusoide perfetta. L’evidenza recente, però, suggeriva che l’attività gamma non fosse un flusso costante, ma apparisse in brevi e intermittenti “raffiche” (burst).

Il metodo CBASS si basa proprio su questo:

• I ricercatori hanno registrato l’attività neuronale in 16 punti distinti della corteccia visiva.
• Hanno scomposto le registrazioni non in onde continue, ma in singoli “eventi” gamma (il ciclo picco-valle-picco).

Se le onde fossero state continue, unendo i punti si sarebbe vista un’onda fluida. “Ma si è scoperto che questi eventi possono accadere insieme, o in piccole raffiche, o tutti da soli,” spiega la Cardin. Immaginatele non come un’onda lunga del mare, ma come tanti piccoli schizzi improvvisi. Questo metodo permette una precisione temporale e spaziale mai vista prima.

Da dove vengono le Onde Gamma? Né A né B, ma A+B

Con questo nuovo strumento, i ricercatori hanno affrontato il mistero secolare: dove nascono le onde gamma?

C’erano due scuole di pensiero principali:

1. Sono generate localmente nella corteccia (lo strato esterno “pensante” del cervello).
2. Sono “ereditate” passivamente da altre strutture, in particolare dal talamo (la stazione centrale di smistamento delle informazioni sensoriali).

I dati di Yale, ottenuti con il CBASS, suggeriscono che hanno torto entrambi. L’attività gamma non è né solo corticale né solo talamica. Emerge, invece, dinamicamente da un’interazione tra il talamo e la corteccia.

In pratica: il talamo invia l’input sensoriale alla corteccia, e la corteccia, nel riceverlo, lo amplifica attivamente, generando l’evento gamma. È un meccanismo dinamico di feedforward.

Struttura del cervello

La prova del topo

per dimostrare che queste onde non sono un semplice “rumore di fondo” ma sono fondamentali per il comportamento, il team è passato alla sperimentazione sui topi.

Hanno addestrato i topi a un compito visivo: ricevere una ricompensa (acqua) solo se leccavano un beccuccio quando veniva mostrato un certo stimolo visivo.

• Step 1: Interrompere le onde. I ricercatori hanno interrotto i segnali che il talamo invia alla corteccia, bloccando così la generazione degli eventi gamma. Risultato: le prestazioni dei topi nel compito visivo sono crollate.
• Step 2: Creare le onde. Hanno fatto l’opposto. Hanno registrato l’attività gamma di un topo mentre rilevava correttamente lo stimolo e l’hanno “riprodotta” artificialmente nel cervello di altri topi. Risultato: I topi sono stati “ingannati”, e leccavano il beccuccio come se avessero visto lo stimolo, anche quando lo stimolo non c’era.

Questa è la prova che le onde gamma sono direttamente coinvolte nell’integrazione delle informazioni sensoriali e nel comportamento che ne consegue.

Implicazioni future: un biomarker per l’Alzheimer?

Come detto, le onde gamma sono alterate in molte malattie neurodegenerative. Il laboratorio della Cardin sta ora indagando se queste “firme” gamma possano essere usate come biomarker precoce per l’Alzheimer.

Molecole chiave come l’acetilcolina e la noradrenalina, che sono neurotrasmettitori fondamentali per la cognizione e che si perdono proprio nelle prime fasi dell’Alzheimer, sono note per regolare l’attività cerebrale. C’è un forte sospetto che siano collegate a questi eventi gamma.

Capire la sequenza esatta di cosa “va storto” potrebbe finalmente dare ai medici uno strumento diagnostico precoce e affidabile, molto prima che i sintomi clinici diventino devastanti.

Domande e Risposte

1. Cosa sono esattamente le onde gamma e perché sono importanti? Le onde gamma sono pattern di attività cerebrale sincronizzata ad alta frequenza (tra 30 e 80 Hz). Non sono un “rumore”, ma un meccanismo fondamentale con cui diverse aree del cervello comunicano ed elaborano informazioni complesse, come la percezione, l’attenzione e la memoria. Sono importanti perché quando questi ritmi si “rompono” o si alterano, ciò è spesso associato a gravi condizioni neurologiche e psichiatriche, indicando un problema nel modo in cui il cervello processa la realtà.

2. Perché ci è voluto un secolo per capire da dove vengono? Il problema era tecnologico. I metodi tradizionali misuravano l’attività cerebrale media, vedendo le onde gamma come un’oscillazione continua e “liscia”. Questo rendeva impossibile distinguere se l’onda fosse generata localmente o ereditata da un’altra area. La nuova tecnica (CBASS) ha permesso per la prima volta di isolare i singoli “eventi” gamma, trattandoli come raffiche discrete. Questa precisione ha rivelato che l’origine non è un singolo punto, ma un’interazione dinamica tra due aree (talamo e corteccia).

3. In che modo questa scoperta aiuterà concretamente contro l’Alzheimer? Questa scoperta identifica un meccanismo preciso (l’interazione talamo-corteccia che genera eventi gamma) che è legato alla cognizione. Sappiamo che l’Alzheimer danneggia la cognizione e altera le onde gamma. Ora, i ricercatori possono studiare se il modo in cui questi eventi gamma si alterano (la loro frequenza, la loro forza) possa essere un “biomarker” precoce della malattia. Se si scoprisse che le onde gamma si modificano prima dei sintomi clinici, potremmo avere un test diagnostico molto precoce, cruciale per intervenire quando le terapie sono più efficaci.

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