Le onde cerebrali dirigono l’orchestra dei neuroni?

Le onde cerebrali dirigono l’orchestra dei neuroni?

05 dicembre 2018

Fra i neuroscienziati è in corso una vivace discussione sul presunto ruolo delle onde cerebrali
gamma come coordinatrici dell’attività di gruppi di neuroni nell’ordinare, filtrare e organizzare i flussi di informazione necessari ai processi cognitivi

di R. Douglas Fields / Scientific American

Nelle spiegazioni dei libri di testo su come le informazioni sono codificate nel cervello, i neuroni
si attivano con una rapida raffica di segnali elettrici in risposta agli input sensoriali o ad altri
stimoli. Il cervello risponde allaccensione di una luce in una stanza buia con brevi raffiche di
impulsi nervosi, chiamati picchi. Ogni gruppo di picchi ravvicinati può essere paragonato a un bit digitale, il codice binario off/on usato dai computer.

Ma i neuroscienziati conoscono da tempo altre forme di attività elettrica presenti nel cervello. In
particolare, hanno attirato l’attenzione le fluttuazioni ritmiche di tensione all’interno e intorno
ai neuroni, oscillazioni che si verificano alla stessa frequenza di 60 cicli al secondo della
corrente alternata negli Stati Uniti. Queste onde cerebrali, dette gamma, codificano le informazioni
cambiando l’ampiezza, la frequenza o la fase (la posizione relativa di un’onda rispetto a un’altra)
di un segnale; inoltre, i ritmici picchi di tensione influenzano la temporizzazione dei picchi.

Negli ultimi anni si è aperto un acceso dibattito sulla possibilità che questi segnali analogici,
simili a quelli usati per la trasmissione radio in AM o FM, abbiano un ruolo nell’ordinare, filtrare
e organizzare i flussi di informazione necessari ai processi cognitivi. Potrebbero cioè essere
essenziali per percepire gli input sensoriali, focalizzando l’attenzione, creando e richiamando ricordi e assemblando vari processi cognitivi in un’unica scena coerente.

Si pensa che le popolazioni di neuroni che oscillano a frequenze gamma possano dare unità
all’attività neurale nello stesso modo in cui la sezione dei violini di un’orchestra si combina nel
tempo e nel ritmo con la sezione delle percussioni per creare musica sinfonica. Quando le onde gamma
oscillano in risonanza, “si ottengono repertori di comportamento molto ricchi”, dice Wolf Singer,
neuroscienziato all’Ernst Strüngmann Institut di Francoforte, che studia le onde gamma. Proprio come
il cruscotto della vostra auto vibra in sincronia con il motore a una frequenza di risonanza, così
anche le popolazioni di neuroni possono separare le coppie di neuroni in risonanza.

Phillip Gander, dell’Università dell’Iowa, ha presentato a un convegno dei risultati che
suggeriscono che le onde gamma possono contribuire alla memoria di lavoro, il blocco di appunti
mentali del cervello che serve a richiamare immediatamente le informazioni. Lo studio di Gander ha
mostrato che quando una persona ricorda un suono, le onde gamma si manifestano nel cervello inattivo
durante l’intervallo tra quando viene emesso un suono di prova e quando al soggetto viene chiesto di
richiamarlo. Le frequenze gamma che avanzano attraverso la corteccia uditiva e frontale possono
aiutare a ricordare temporaneamente un suono o un altro input sensoriale, tenendolo a mente allo
stesso modo in cui un diapason che vibra mantiene un’altezza molto tempo dopo che è stato colpito.

Il crescente interesse per le onde gamma non è condiviso da tutti i neuroscienziati, e ha dato
origine a polemiche che hanno attirato una gran folla a una sessione del grande convegno annuale
della Society for Neuroscience (SfN) tenutosi a San Diego all’inizio di novembre. Il dibattito era
incentrato sulla discussione fra chi sostiene che le onde gamma siano fondamentali per le
elaborazioni cerebrali e chi ritiene che siano invece solo un sottoprodotto irrilevante, come il ronzio di un amplificatore elettronico.

In effetti, manca un corpus sostanziale di prove del ruolo delle onde gamma nell’elaborazione
mentale. I critici sottolineano che in natura le oscillazioni sorgono ovunque si guardi, dai flutti
che si infrangono ritmicamente sulla riva fino al suono penetrante del ritorno del microfono in un
sistema di altoparlanti. La semplice esistenza di oscillazioni in un circuito elettrico, sostengono,
non significa che esse siano parte integrante del funzionamento neurale. “Allo stato attuale queste
sono belle teorie senza molti dati sperimentali”, dice Jessica Cardin, neuroscienziata della Yale
University’s School of Medicine, una voce scettica nel dibattito SfN, e sottolinea che le prove
finora accumulate non si basano su test rigorosi volti alla ricerca di una relazione causa-effetto tra le onde gamma e specifici processi neurali.

Un ambito in cui è emerso un consenso riguarda il ruolo delle onde gamma nei disturbi neurologici e
psicologici. “Sono uno psichiatra e uno dei motivi per cui sono interessato a questo problema è che
i ritmi gamma sono chiaramente disturbati in una serie di disturbi psichiatrici, come la
schizofrenia e lautismo”, dice Vikaas Sohal, neuroscienziato dei sistemi allUniversità della
California a San Francisco. Sohal riconosce però che deve ancora essere accertato se le oscillazioni siano una causa di disfunzione cognitiva.

Alcuni ricercatori hanno già iniziato a mettere alla prova se la modificazione delle onde gamma può
essere daiuto nella terapia di alcuni disturbi mentali. Studi di Singer e altri hanno dimostrato
che le persone possono imparare a controllare la potenza delle loro onde gamma in regioni specifiche
della corteccia cerebrale sfruttando il neurofeedback come possibile tecnica terapeutica. La
neuroscienziata Elizabeth Buffalo, docente di fisiologia e biofisica all’Università di Washington a
Seattle, che ha moderato il dibattito alla riunione SfN, ha osservato: “Ci sono un paio di piccoli
studi sul biofeedback in bambini autistici che hanno dato risultati promettenti”.

Inoltre, si stanno iniziando a testare varie forme di stimolazione elettrica ritmica del cervello
per alterare le onde gamma (e altre frequenze di oscillazioni neurali) in una vasta gamma di
disturbi, tra cui depressione cronica, autismo, schizofrenia e altro. Cardin avverte, tuttavia, che
l’approccio terapeutico sperimentale – che ricorre a tecniche come la stimolazione cerebrale
profonda e la stimolazione magnetica transcranica – può solo interrompere un circuito cerebrale
stimolando o inibendo massicciamente l’attività elettrica, interrompendo così la segnalazione
aberrante. In casi estremi, lelettroshock è efficace nel trattamento della depressione, ma il
trattamento potrebbe non correggere le oscillazioni anomale alla base della condizione.

La stessa critica agli strumenti spuntati mina gli sforzi sperimentali per verificare se le
oscillazioni siano fondamentali per il funzionamento del cervello o solo fumi dal motore cognitivo
del cervello. Le tecniche esistenti alterano l’attività cerebrale troppo drasticamente per fornire
un test convincente. Inoltre, la manipolazione delle onde cerebrali altera anche i tempi dei picchi,
rendendo difficile determinare quale attività – le onde o i picchi – possono essere coinvolti
nell’elaborazione neurale normale o aberrante. Ciò di cui c’è bisogno, concordano gli scienziati, è
una tecnologia ancora da inventare per manipolare in neuroni specifici e in modo indipendente la
fase delle oscillazioni e i tempi dei picchi. Solo allora sarà possibile dire chi è responsabile di un dato processo cognitivo.