I tuoi occhi sono una finestra nel funzionamento interiore del tuo cervello

Cervelletto in rosso.

Fonte: database delle scienze della vita / Wikimedia Commons

Ogni mattina, mi sveglio sperando che ci saranno notizie che ci aiutano a capire meglio il funzionamento interno del cervelletto (latino per "piccolo cervello"). Il cervelletto è noto principalmente per il suo ruolo in tutti i tipi di coordinazione sensomotoria e di creazione di fluidità del movimento. Oggi, un nuovo studio condotto da un team di ricercatori internazionali rivela ulteriori indizi su come i neuroni specifici del cervelletto siano collegati ai nostri occhi come una finestra nel cervello.

So che non vedo l'ora che una nuova ricerca " cerebellare " (relativa o localizzata nel cervelletto) sia una ragione estremamente esoterica per spuntare dal letto al mattino … Ma, per me, decodificare i misteri delle cellule di Purkinje e il cervelletto è profondamente personale.

Prima della sua improvvisa morte nel 2007, mio ​​padre – che era un neuroscienziato, neurochirurgo e autore di The Fabric of Mind (Viking) – ha dedicato gli ultimi anni della sua vita a tentare di risolvere enigmatici ed enigmatici enigmi del cervelletto. Morì prima che i progressi nella tecnologia di neuroimaging gli permettessero di realizzare i suoi sogni e le sue ipotesi. Al suo funerale, ho fatto un voto che avrei fatto del mio meglio per mantenere viva la passione di mio padre per "il piccolo cervello" in tutto il ventunesimo secolo.

Negli ultimi dieci anni, ho mantenuto le mie antenne per i progressi nella tecnologia delle neuroscienze e mi sono sforzato di collegare i punti di una ricerca apparentemente non correlata sul cervelletto in modi nuovi e utili.

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Durante la stesura del manoscritto The Athlete's Way (St. Martin's Press) nel 2005, ho parlato con mio padre tutti i giorni. Sicuramente, almeno una volta alla settimana, mio ​​padre diceva: "Non sappiamo esattamente cosa stiano facendo i neuroni Purkinje del cervelletto. Ma qualunque cosa stiano facendo, ne stanno facendo un sacco. "

I neuroni di Purkinje prendono il nome da Johannes Purkinje, che per primo identificò questi neuroni nel 1837. Il dott. Purkinje fu anche la prima persona a identificare l'individualità dell'impronta digitale umana. Aveva un talento per portare alla luce cose relativamente ovvie che tutti gli altri sembravano trascurare. Le cellule di Purkinje sono i neuroni più grandi e distintivi del cervello. I loro dendriti si dilatano come fan cinesi e sono sistemati sistematicamente in modo da mantenerli allineati, ma non si toccano mai. Un singolo assone proietta dal ventaglio dei dendriti.

Illustrazione dei neuroni di Purkinje (A) di Santiago Ramón y Cajal intorno al 1899.

Fonte: Santiago Ramón y Cajal / Dominio Pubblico

Per saperne di più sugli approfondimenti che ho acquisito sulle cellule di Purkinje attraverso le conversazioni con mio padre, consulta alcuni estratti gratuiti di The Athlete's Way . Sebbene abbia scritto questi passaggi più di dieci anni fa, le intuizioni speculative fornite da mio padre sono profeticamente accurate alla luce delle ultime scoperte neuroscientifiche empiriche pubblicate negli ultimi mesi.

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Stamattina, mi ha entusiasmato leggere un nuovo studio sui neuroni di Purkinje che aiuta a spiegare perché mio padre ha fatto un'ipotesi plausibile sul fatto che queste cellule cerebellari siano incredibilmente dinamiche e straordinarie. A quanto pare, i neuroni di Purkinje nel cervelletto possono dettare simultaneamente quando inizia un movimento muscolare finemente sintonizzato, le pause e la velocità con cui avviene questo movimento coordinato.

Il rapporto di luglio 2016, "Multiplexed Coding di Cerebellar Purkinje Neurons", appare sulla rivista eLife . Tecnicamente, "multiplex" significa "un sistema o un segnale che implica la trasmissione simultanea di più messaggi lungo un singolo canale di comunicazione". Questa ricerca suggerisce che l'assone singolare di un neurone Purkinje è in grado di fornire più messaggi contemporaneamente.

Questi risultati offrono molti indizi entusiasmanti sullo spettro del controllo motorio, che vanno dalle malattie come il morbo di Parkinson o disturbi dello spettro autistico (ASD) alla fluidità del movimento associato alla padronanza di uno strumento musicale o allo sviluppo dell'abilità atletica di una ginnasta olimpica.

Per questo studio, un team di ricercatori dell'Università di Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) e collaboratori in Germania hanno studiato esattamente come le cellule di Purkinje del cervelletto fossero correlate con rapidi movimenti oculari "saccadici".

L'anno scorso, uno studio innovativo, "Encoding of Action by the Purkinje Cells of the Cerebellum", è stato pubblicato sulla rivista Nature da ricercatori della Johns Hopkins University School of Medicine. I ricercatori hanno riferito che le cellule di Purkinje condividono le comuni proprietà a picco complesso che sembrano controllare i movimenti oculari rapidi, che sono noti come saccadi.

Fonte: Vladimir Arndt / Shutterstock

Che tu te ne accorga consapevolmente o meno, i tuoi occhi si muovono costantemente. I tuoi occhi si muovono rapidamente e in modo riflessivo da un punto di messa a fuoco a concentrarsi su qualcos'altro. Durante le saccadi, anche se non stai pensando attivamente di muovere gli occhi, il cervelletto fa costantemente inventario per individuare dove indirizzare la tua attenzione, in base a ciò che contiene le informazioni più importanti. Le saccade perfezionate ci permettono di fare cose come mantenere il contatto visivo con qualcuno mentre sei impegnato in una conversazione o sfiorare una palla da tennis che si avvicina a te a oltre 100 miglia all'ora.

È interessante notare che uno dei sintomi chiave dell'autismo sta avendo difficoltà a mantenere il contatto visivo durante le conversazioni emotive. Autopsie di bambini autistici rivelano cervelletti rattrappiti e cellule di Purkinje atrofizzate. Ho scritto su questo fenomeno in un post sul blog di Psychology Today , "Cosa inibisce il contatto visivo durante le conversazioni emotive?"

La saccade è un perfetto esempio della coordinazione sensomotoria del cervelletto. Il modo in cui coordiniamo tutti i nostri movimenti muscolari ha impatti di vasta portata su come interagiamo con l'ambiente e le persone intorno a noi. Ciò è particolarmente vero quando si raggiunge uno stato di flusso o di superfluidità , che è caratterizzato da movimenti coordinati in un modo che scorre senza attrito o viscosità.

Le ultime scoperte di OIST riaffermano la mia ipotesi originale che i neuroni di Purkinje giochino un ruolo fondamentale nel raggiungimento di uno stato di flusso e di superfluidità sia dentro che fuori dal campo. Come dichiaro a p. 119 di The Athlete's Way ,

"Potresti pensare a mille dendriti di cellule di purkinje come a un" piatto ricevente "da molti luoghi diversi e vari nel tuo corpo. Il singolo assone di cellule di Purkinje potrebbe essere visto come un filo in uscita che invia segnali da tutto il luogo attraverso una pipeline consolidata. I dendriti delle cellule di Purkinje sono paralleli ma non si toccano mai. Oscillano come pesci e spingono il segnale verso l'assone, fuori dal cervelletto e fino al cervello. "

Questa elaborazione velocissima nei neuroni Purkinje di un portiere nel cervelletto gli consente di saltare per un pallone da calcio mentre allunga le mani e tiene gli occhi fissi sul bersaglio usando il riflesso vestibolo-oculare (VOR) del cervelletto. Nello sport e nella vita, il cervelletto controlla il tuo equilibrio, la propriocezione, il controllo posturale, la coordinazione muscolare e la velocità dei movimenti.

I ricercatori dell'Istituto Okinawa di Scienza e Tecnologia (OIST) hanno recentemente catturato immagini mozzafiato dei neuroni di Purkinje che rivelano la sorprendente accuratezza delle illustrazioni di Ramón y Cajal di oltre un secolo fa.

Fonte: OIST, usato con permesso

L'output finale di ogni cella di Purkinje è attraverso un singolo assone. È interessante notare che tutte le cellule di Purkinje sembrano funzionare autonomamente, ma simultaneamente all'unisono. Questi neuroni prendono informazioni sensoriali a livello cerebellare da ogni parte del corpo e inviano queste informazioni al cervello per l'elaborazione cerebrale.

I neuroni di Purkinje lavorano a una velocità quantica. L'amplificazione di oltre duecentomila segnali in arrivo attraverso un assone offre capacità di elaborazione parallela dal cervelletto fino alla corteccia cerebrale.

Quando il team OIST ha costruito un modello matematico sulla frequenza media di sparo dei picchi del neurone di Purkinje, ha scoperto che una semplice relazione poteva predire la fluidità del movimento proprio all'inizio di un movimento oculare saccade.

Come tutti i neuroni, le cellule del Purkinje emettono picchi causati dalla produzione elettrica. Le cellule di Purkinje spara rapidamente il più delle volte, ma occasionalmente ci sono pause in queste punte. In una dichiarazione, il professor Erik De Schutter, coautore e capo dell'unità Computational Neuroscience di OIST, ha dichiarato.

"Vogliamo sapere cosa ci stanno dicendo in realtà questi picchi. . . C'è un grande cambiamento nel potenziale di campo locale al momento di una saccade. Possiamo anche vedere che c'è un picco di inizio-pausa nella cella di Purkinje nel momento in cui inizia il movimento degli occhi.

Questo ci ha mostrato che i picchi che iniziano le pause controllano l'inizio di un movimento e che quelli che non sono collegati alle pause controllano la velocità del movimento. Ciò significa che c'è il multiplexing nelle celle di Purkinje: possono inviare due segnali contemporaneamente. "

Questo è importante perché questa ricerca suggerisce che sia i tempi dei singoli picchi sia il tasso medio di sparo delle punte sono cruciali per comprendere la complessità del cervelletto e tutti i tipi di abilità motorie finemente sintonizzate.

Conclusione: il raggiungimento della superfluidità nello sport e nella vita dipende dai neuroni di Purkinje

Fonte: Jiang Dao Hua / Shutterstock

Mentre guardi gli atleti d'élite gareggiare nei giochi olimpici estivi di Rio nelle prossime settimane, ricorda che tutti i loro movimenti muscolari finemente sintonizzati si basano sui neuroni di Purkinje nel cervelletto. All'estremità opposta dello spettro, la struttura cellulare, la funzione e la connettività atipiche di Purkinje possono rendere difficile per coloro che hanno determinati disturbi neurologici del cervelletto di navigare nella vita di tutti i giorni.

Questi risultati sui neuroni di Purkinje hanno la capacità di aiutare gli esperti a sviluppare interventi che potrebbero migliorare le prestazioni di un atleta o di un artista creando flusso e superfluidità. Questa ricerca potrebbe anche aiutare quelli con una vasta gamma di disturbi che sono radicati nelle anomalie cerebellari ottimizzare la loro vita quotidiana.

Potenzialmente, le ultime intuizioni sulla comprensione del meccanismo dei neuroni nel cervelletto potrebbero portare a progressi nella tecnologia medica, come l'interfacciamento con la macchina del cervello, che potrebbe consentire ai pazienti paralizzati o agli amputati di muovere le protesi mediante la messa a punto dei segnali cerebrali. Inoltre, questi risultati potrebbero essere utili nella progettazione di intelligenza artificiale avanzata per robot che richiedono un controllo motorio preciso.

Restate sintonizzati per gli aggiornamenti sui modi in cui la ricerca cerebellare all'avanguardia può essere applicata sia allo sport sia alla vita. Per saperne di più sulle cellule di Purkinje, i movimenti oculari e il cervelletto, controlla i miei post precedenti sul blog di Psychology Today ,

• "Le cellule di Purkinje scoppiano in vita con eccitazioni dipendenti dallo stato"
• "Meccanismo epigenetico nel cervelletto guida l'apprendimento motorio"
• "Il bianco dei tuoi occhi trasmette verità subconscie"
• "La neuroscienza del contatto visivo"
• "I 12 movimenti degli occhi danno via i tuoi segreti"
• "Come sono le cellule di Purkinje nel cervelletto legate all'autismo?"
• "L'autismo, le cellule di Purkinje e il cervelletto sono intrecciati"
• "Ulteriori collegamenti di ricerca autismo e il cervelletto"
• "Sincronizzazione del cervello idiosincratica associata all'autismo"
• "La connettività migliorata del cervelletto aumenta la capacità creativa"
• "Il cervelletto contiene molti indizi per la creazione di robot umanoidi"
• "5 motivi per cui il cervelletto è la chiave per crescere in un'era digitale"

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