Dal tempo delle riflessioni di Aristotele sulla natura del tempo alla teoria della relatività di Einstein, l’umanità si è da sempre chiesta: come percepiamo e comprendiamo il tempo? La teoria della relatività postula che il tempo possa dilatarsi e contrarsi, un fenomeno noto come dilatazione del tempo. Così come il cosmo distorce il tempo, i nostri circuiti neurali possono allungare e comprimere la nostra esperienza soggettiva del tempo.
Come Einstein disse nella sua famosa battuta: “Metti la tua mano su una stufa calda per un minuto e ti sembrerà un’ora. Siediti accanto a una bella ragazza per un’ora e ti sembrerà un minuto“.
In questo nuovo studio condotto presso il Laboratorio di Apprendimento della Champalimaud Research, pubblicato su Nature Neuroscience, gli scienziati hanno rallentato o accelerato artificialmente i modelli di attività neurale nei ratti, distorcendo la loro percezione della durata del tempo e fornendo le prove causali più convincenti finora sul funzionamento dell’orologio interno del cervello nel guidare il comportamento.
A differenza degli orologi circadiani più familiari che regolano i nostri ritmi biologici di 24 ore e plasmano la nostra vita quotidiana, dai cicli sonno-veglia al metabolismo, si sa molto meno su come il corpo misuri il tempo nella scala dei secondi e dei minuti.
Lo studio si è concentrato proprio su questa scala temporale in cui si svolge gran parte del nostro comportamento, che sia aspettare al semaforo o servire una palla da tennis.
L’Ipotesi dell’Orologio Popolazionale
A differenza del ticchettio preciso dell’orologio centralizzato di un computer, il nostro cervello mantiene un concetto di tempo decentralizzato e flessibile, che si pensa sia modellato dalla dinamica delle reti neurali sparse nel cervello.
Secondo l’ipotesi dell'”orologio popolazionale”, il nostro cervello mantiene un concetto di tempo basandosi su modelli consistenti di attività che si sviluppano in gruppi di neuroni durante il comportamento.
Joe Paton, autore principale dello studio, confronta questo processo a quello di far cadere una pietra in un lago. “Ogni volta che una pietra cade, crea onde che si irradiano dalla superficie in un modello ripetitivo. Osservando i modelli e le posizioni di queste onde, è possibile dedurre quando e dove la pietra è stata gettata nell’acqua. Come la velocità con cui si muovono le onde può variare, anche il ritmo con cui questi modelli di attività si sviluppano nelle popolazioni neurali può cambiare. Il nostro laboratorio è stato uno dei primi a dimostrare una stretta correlazione tra la velocità o la lentezza con cui queste ‘onde’ neurali si evolvono e le decisioni che dipendono dal tempo“.
I ricercatori hanno addestrato i ratti a distinguere tra diversi intervalli di tempo. Hanno scoperto che l’attività nello striato, una regione profonda del cervello, segue modelli prevedibili che si modificano a diverse velocità: quando gli animali riportano un determinato intervallo di tempo come più lungo, l’attività si evolve più rapidamente, e quando lo riportano come più corto, l’attività si evolve più lentamente.
Tuttavia, la correlazione non implica causalità. “Volevamo testare se la variabilità nella velocità della dinamica di una popolazione di neuroni dello striato si correlava o regolava direttamente il comportamento temporale. Per farlo, dovevamo avere un modo di manipolare sperimentalmente queste dinamiche mentre gli animali riportavano giudizi di tempo“.
Svelare il tempo con la temperatura
Per stabilire la causalità, il team ha utilizzato una tecnica antica nel kit degli strumenti dei neuroscienziati: la temperatura. “La temperatura è stata utilizzata in studi precedenti per manipolare la dinamica temporale di comportamenti, come il canto degli uccelli. Raffreddando una specifica regione del cervello si rallenta il canto, mentre riscaldandola si accelera, senza modificarne la struttura“, spiega.
“È come cambiare il ritmo di una composizione musicale senza influenzare le note stesse. Abbiamo pensato che la temperatura potesse essere ideale, poiché ci avrebbe potuto consentire di potenzialmente modificare la velocità della dinamica neurale senza disturbare il suo pattern”, aggiunge il ricercatore.
Per testare questo strumento sui ratti, hanno sviluppato un dispositivo termoelettrico personalizzato per riscaldare o raffreddare in modo mirato lo striato, registrando contemporaneamente l’attività neurale.
In questi esperimenti, gli animali erano anestetizzati, quindi i ricercatori hanno utilizzato l’optogenetica – una tecnica che stimola specifiche cellule attraverso la luce – per generare onde di attività nello striato che altrimenti sarebbe stato inattivo, proprio come quando si lascia cadere una pietra in un lago.
Margarida Pexirra, co-autrice principale, afferma: “Abbiamo avuto cura di non raffreddare troppo l’area, poiché ciò avrebbe interrotto l’attività, né riscaldarla troppo, correndo il rischio di causare danni irreversibili“.
I ricercatori hanno scoperto che, in effetti, il raffreddamento allargava il pattern di attività, mentre il riscaldamento lo comprimeva, senza disturbare il pattern stesso. “La temperatura ci ha fornito un modo per allungare o comprimere l’attività neurale nel tempo, quindi abbiamo applicato questa manipolazione nel contesto del comportamento“, afferma Filipe Rodrigues, un altro autore principale dello studio. “Abbiamo addestrato gli animali a dire se l’intervallo tra due toni/suoni fosse più corto o più lungo di 1,5 secondi. Quando raffreddavamo lo striato, era più probabile che riportassero un certo intervallo come corto. Quando lo riscaldavamo, era più probabile che riportassero che l’intervallo era lungo“.
Ad esempio, il riscaldamento dello striato accelerava la dinamica della popolazione dei neuroni in questa area, simile all’accelerazione del movimento delle lancette di un orologio, facendo sì che i topi percepissero un certo intervallo di tempo come più lungo di quanto fosse realmente.
Due sistemi cerebrali per il controllo motorio
“Sorprendentemente”, aggiunge Paton, “nonostante lo striato coordini il controllo motorio, il rallentamento o l’accelerazione dei suoi modelli di attività neuronale non implica un rallentamento o un’accelerazione dei movimenti degli animali nel compito in modo corrispondente“.
I risultati del team indicano che lo striato è fondamentale per risolvere la prima sfida – determinare “cosa” fare e “quando” farlo – mentre la seconda sfida – “come” controllare il movimento in corso – viene lasciata ad altre strutture cerebrali.
Il morbo di Parkinson, che colpisce lo striato, spesso compromette la capacità dei pazienti di iniziare piani motori, come camminare. Tuttavia, fornire indizi sensoriali, come strisce di nastro adesivo sul pavimento, può agevolare la deambulazione. Questi indizi probabilmente coinvolgono altre regioni cerebrali, come il cervelletto e il cortice, che sono ancora intatte e possono gestire efficacemente il movimento continuo.
D’altra parte, i pazienti con lesioni cerebellari hanno difficoltà nell’eseguire movimenti fluidi e coordinati, ma non necessariamente presentano problemi nell’iniziazione o nella transizione tra i movimenti.
Implicazioni e direzioni future
Fornendo nuove conoscenze sulla relazione causale tra l’attività neurale e la funzione di temporizzazione, i risultati del team potrebbero contribuire allo sviluppo di nuovi bersagli terapeutici per malattie debilitanti come il morbo di Parkinson e l’untington, che comportano sintomi correlati al tempo e uno striato compromesso.
Inoltre, evidenziando un ruolo più specifico per lo striato nel controllo motorio discreto, rispetto a quello continuo, i risultati potrebbero influenzare anche le strutture algoritmiche utilizzate nella robotica e nell’apprendimento.
