Cum învață creierul: Un nou model al reorganizării conexiunilor neuronale în timpul învățării

Un studiu de referință publicat în jurnalul Nature de cercetători de la Universitatea California San Diego oferă perspective inovatoare asupra modului în care creierul își reorganizează conexiunile în timpul proceselor de învățare. Sprijinit de National Institutes of Health și U.S. National Science Foundation, studiul redefinește înțelegerea științifică a modului în care învățarea remodelează circuitele neuronale, deschizând noi direcții terapeutice pentru afecțiuni neurologice.
De-a lungul timpului, regiunea motorie primară a cortexului (M1) a fost considerată centrul decizional al mișcărilor complexe în procesul de învățare. Mai recent, talamusul motor – o zonă profundă situată central în creier – a fost implicat în reglarea activității M1. Totuși, în ciuda progreselor tehnologice, modul în care aceste regiuni comunică și se adaptează în timp real în timpul învățării a rămas neclar, din cauza dificultăților de a monitoriza interacțiuni celulare interregionale cu suficientă rezoluție.

Despre studiu - Tehnologii și metodologie inovatoare

Echipa condusă de prof. Takaki Komiyama a reușit pentru prima dată să descrie, la șoareci, modul în care conexiunile neuronale dintre talamus și cortex se modifică în timpul învățării motorii. Printr-o combinație de imagistică neurală avansată și o metodă analitică nouă – ShaReD (Shared Representation Discovery) – cercetătorii au identificat calea talamocorticală ca fiind zona-cheie remodelată în timpul procesului de învățare.

Studiul arată că învățarea nu doar ajustează niveluri de activitate, ci și restructurează fizic conexiunile dintre neuroni, rafinând precizia și eficiența comunicării între talamus și cortex.

Rezultate principale

Reorganizare direcționată a activității neuronale

În cadrul experimentelor, șoarecii au fost antrenați să execute mișcări specifice. Pe parcursul învățării, cercetătorii au observat că:

• Talamusul activează selectiv un subset de neuroni din M1, responsabili pentru mișcarea învățată.
• Acești neuroni inhibă activarea celulelor nerelevante, contribuind la un model de activitate neuronală direcționat.
• Rezultatul este o conectivitate mai rapidă, mai puternică și mai precisă între talamus și cortex.

Aceste modificări confirmă faptul că învățarea implică remodelări structurale ale circuitelor neuronale, nu doar schimbări funcționale tranzitorii.

Metoda ShaReD: un nou instrument de descifrare a învățării

Pentru a surprinde activitatea specifică neuronilor implicați în comportamente învățate, a fost dezvoltat algoritmul ShaReD. Spre deosebire de metodele anterioare care forțau alinierea artificială a datelor, ShaReD identifică reprezentări comportamentale comune între subiecți, permițând o mapare mai fidelă între activitatea neuronală și comportamentul observat.

Această metodă a fost esențială pentru evidențierea reorganizării circuitelor cerebrale, oferind o nouă cale de integrare a datelor experimentale multiple.

Implicații științifice și clinice

Un nou model al învățării cerebrale

Studiul propune un model comprehensiv în care învățarea constă într-o reorganizare țintită a conectivității între regiuni cerebrale, nu doar într-o simplă repetare a comportamentelor. Talamusul joacă un rol activ în dirijarea acestei reorganizări, activând și modelând circuitele din cortexul motor pentru a încorpora mișcările învățate.

Acest model poate explica de ce unele forme de reabilitare după accidente vasculare cerebrale sau utilizarea protezelor neuronale sunt mai eficiente atunci când exploatează mecanismele naturale de reorganizare sinaptică.

Implicații terapeutice

Înțelegerea modului în care creierul își reconfigurează circuitele pentru a învăța poate conduce la:

•  dezvoltarea de intervenții personalizate pentru recuperarea motorie după accidente neurologice;
•  proiectarea de neuroprotetice adaptative, care să se alinieze cu tiparele naturale de reorganizare;
•  identificarea unor noi biomarkeri pentru plasticitate cerebrală, cu potențial predictiv asupra succesului terapiei.

Concluzii

Acest studiu reprezintă o contribuție esențială în înțelegerea neuroplasticității funcționale și structurale. Demonstrează că învățarea este un proces activ, în care creierul își reconfigurează conexiunile neuronale pentru a susține comportamente noi, iar această reorganizare este coordonată inter-regional, în mod specific și funcțional.

Mesajul central este clar: învățarea nu modifică doar activitatea creierului, ci și structura fundamentală a modului în care acesta comunică și funcționează.

Lucrarea este dedicată memoriei cercetătoarei An Wu, specialist în neuroștiințe în laboratorul Komiyama, care și-a pierdut viața tragic într-un incendiu în 2023. Ea este amintită ca o savantă excepțională care a avut un impact profund asupra comunității științifice.