Subnet gating per spiegare la mente umana

Mar 23 2023

Una nuova teoria propone come i nostri cervelli funzionino così bene con connessioni limitate

Il cervello umano è composto da miliardi di cellule che formano trilioni di connessioni complesse. Sicuramente, sotto tutte queste connessioni individuali ci sono specifici percorsi e modelli di attività che forniscono i nostri pensieri e le nostre percezioni.

wiki commons

È improbabile che questa visione consensuale nelle neuroscienze cambi presto. Tuttavia, le domande sono state sollevate dai ricercatori di intelligenza artificiale e neuroscienze computazionali (in particolare i cosiddetti connessionisti ) sulla fattibilità della vastità delle connessioni per spiegare l'intelligenza umana e la capacità del cervello di impegnarsi efficacemente in così tanti compiti diversi.

Ad esempio, mentre il cervello umano è capace di un'intelligenza "elevata", i modelli computerizzati del cervello basati esclusivamente sulle connessioni neurone-neurone suggeriscono che sarebbero necessarie quantità irrealistiche di risorse per fornire questo livello di intelligenza. Confrontando il cervello degli scimpanzé e quello umano, si sostiene che un aumento di 4 volte delle dimensioni del cervello possa spiegare le differenze di intelligenza ; confrontando computer basati sulla connessione e cervelli umani, sarebbe necessario un aumento di 10⁴⁸ volte .

Cervelli umani e di scimpanzé a confronto. Barra della scala = 1 cm. (wiki commons; originariamente da Todd Preuss)

Supponendo che questo sia vero, cosa potrebbe mancare? Quali caratteristiche delle cellule cerebrali dei mammiferi producono un'intelligenza maggiore della somma delle connessioni cellulari? Un neuroscienziato computazionale, Nikolic, ha recentemente proposto una nuova idea per spiegare questo problema: la selezione di sottoreti transitorie da parte dei recettori metabotropici e dei canali ionici controllati dalla proteina G (MR e GPGIC).

Questa è solo una teoria e attualmente mancano dati biologici empirici, quindi l'idea generale può (deve) essere spiegata semplicemente: i canali metabotropici e controllati dalla proteina G si trovano sui dendriti, o rami, dei neuroni nel cervello e agiscono come un cancello per l'attività neurale. Accendendosi e spegnendosi in momenti diversi, possono bloccare o favorire il passaggio dell'attività neurale attraverso il loro particolare ramo o sezione di ramo. Un intero cervello è composto da molti neuroni con molti rami collegati. Pertanto, quando un particolare insieme di rami è aperto su un particolare insieme di neuroni, si forma una sottorete . Nikolic chiama questo "pensare attraverso la selezione del percorso".

Un recettore metabotropo. La proposta di Nikolic è che il legame di una molecola a questo tipo di recettore possa avviare lo spegnimento o l'accensione di una sezione della membrana neuronale per "reindirizzare" temporaneamente l'attività neurale in entrata. (wiki commons)

Questa teoria propone che qualche innesco (un ligando per il recettore appropriato) possa verificarsi temporaneamente, rendendo transitorie queste sottoreti . Un esempio fornito da Nikolic è quello di mantenere un'auto in corsia durante la guida: una sottorete di connessioni deve essere inserita per rilevare le derive, visivamente e dal sistema vestibolare, e quindi correggerle mediante l'uscita del motore di rotazione del volante.

Sembra che stiamo solo aggiungendo uno strato di networkiness a una struttura già altamente interconnessa. Esatto, ma cosa potrebbe aggiungere?

La visione tradizionale del cervello durante i compiti è che alcune particolari connessioni neuronali vengono create o rafforzate durante l'apprendimento di un compito e queste sinapsi possono essere rafforzate e indebolite nel tempo . Ma questo accade davvero per ogni singola cosa che impariamo? L'apprendimento one-shot, in cui impariamo qualcosa immediatamente e possiamo conservare la memoria per tutta la vita, avviene davvero semplicemente attraverso il rafforzamento delle sinapsi? Forse, anche se i processi di apprendimento e memoria sono certamente accompagnati da altri meccanismi di cambiamento nel cervello .

Questa teoria del gating della sottorete del recettore è uno di questi potenziali meccanismi e sarà entusiasmante da tenere d'occhio in futuri lavori sperimentali.

Quale sarebbe l'esperimento onirico per testare questa teoria? Gli organoidi cerebrali forniscono una piattaforma ovvia per i primi test: se un ricercatore avesse il potere di controllo su questi geni del recettore e l'input/output neurale nella piccola rete, potrebbe stimolare una cellula e registrare l'attività delle cellule collegate quando questi recettori vengono accesi e spenti . Silenziando selettivamente i singoli dendriti e le sezioni di dendriti, tramite gating MR e GPGIC, è stato possibile determinare se l'input/output della stimolazione è stato modificato in modo significativo.

Per le malattie neurologiche, questa teoria potrebbe anche servire come bersaglio terapeutico. Una teoria dell'epilessia focale sostiene che piccole sottoreti di cellule possono formare "microcrisi", un'attività disordinata che può aumentare a valanga nella propagazione delle convulsioni. Gli attuali trattamenti farmacologici antiepilettici tendono a prendere di mira le principali classi di recettori in tutto il cervello, spesso in modi sporchi (non specifici), che possono causare terribili effetti collaterali e, in alcuni pazienti, non forniscono mai sollievo dalle crisi. Forse, invece di farmaci mirati ai recettori sinaptici, è possibile sintonizzare particolari sottoreti di dendriti per rilevare e inibire questa attività aberrante prima che si formi un attacco (qualcosa di simile è già in fase di sperimentazione nell'epilessia ).

Sebbene allettante, questa teoria della sottorete transitoria è ancora una congettura. Quale meccanismo consente a un ligando rilevante di attivare il gate MR/GPGIC? Sarebbe un processo stocastico che determina i particolari rami e sottosezioni di rami che formano una sottorete? Quali meccanismi consentono la stabilità della sottorete per decenni di vita? Le risposte possono essere proposte e accuratamente agitate a mano per tutte queste domande, ma la prova deve venire dagli sperimentalisti.

Infine, un'aspirazione fondamentale di questa teoria è che possa spiegare la grande capacità del cervello umano che non può essere spiegata da semplici modelli "connessionisti". Tuttavia, altri fatti biologici possono anche aiutare a spiegare i fallimenti di questi modelli basati sulla connessione, come i cambiamenti nelle risposte gliali attorno alle sinapsi durante l'LTP e vari aggiustamenti genetici effettuati durante l'apprendimento - in effetti, molti meccanismi basati sui recettori, nei neuroni e non neuroni , può modificare costantemente le connessioni del cervello durante l'apprendimento e la vita.

Nella migliore delle ipotesi, questa nuova teoria offre un nuovo livello di comprensione della plasticità e della connettività del cervello. Nel peggiore dei casi, la teoria è irrilevante o sbagliata. La verità è quasi sicuramente nel mezzo e sarà un argomento eccitante da tenere d'occhio in futuro.

Riferimenti

Dov'è la mente nel cervello? Selezione transitoria di sottoreti da parte di recettori metabotropici e canali ionici dipendenti da proteine G. Nikolic D. 2023. Biologia computazionale e chimica .