Tutti gli esseri viventi dormono, nonostante ciò diminuisca il tempo utile per attività apparentemente più produttive e possa aumentare l’esposizione ai pericoli ambientali. Si cerca di scoprire le funzioni del sonno indagando su molti fronti. Uno studio, condotto dall’INFN nel contesto dello Human Brain Project (HBP) con il progetto Wavescales (Wave Scaling Experiments and Simulations), e recentemente pubblicato su Scientific Reports, dà ora un nuovo contributo, simulando in un modello talamo-corticale gli effetti benefici del sonno profondo sulle memorie apprese durante la veglia. Lo studio dimostra il funzionamento simultaneo di due processi che avvengono durante il sonno: il primo crea nuove associazioni, il secondo riequilibra la forza delle connessioni tra neuroni. Insieme, migliorano l’accuratezza con cui la corteccia cerebrale classificherà gli stimoli al successivo risveglio.
“Questo studio descrive il sonno e ne analizza l'effetto su un modello cerebrale semplificato, basato su dati empirici”, spiega Katrin Amunts, presidente scientifico del progetto HBP. “È interessante notare che l’oscillazione simile al sonno sembra favorire prestazioni più elevate nei compiti di recupero e classificazione”. “Ciò ha implicazioni non solo verso una migliore comprensione della neuroscienza di base, ma anche per le reti neuronali artificiali”, conclude Amunts.
“Un fatto notevole, che ci ha guidato nella costruzione del modello, è che nel sonno le attività del cervello sono guidate dall’interno, non dall’ambiente”, sottolinea Pier Stanislao Paolucci, ricercatore dell’INFN che coordina il progetto Wavescales. “Questa disconnessione, in qualche modo simile agli stati meditativi, può consentire la creazione di nuove associazioni e soluzioni ai problemi, che sarebbero molto più difficili costruire mentre si è impegnati nelle attività quotidiane, distratti dalla decifrazione degli stimoli ambientali e dalla elaborazione di una reazione appropriata”, conclude Paolucci.
In effetti, gli infanti, per cui ogni avvenimento è carico di novità, passano la maggior parte del loro tempo dormendo. Ma anche negli adulti, la deprivazione di sonno danneggia la cognizione. Viceversa, un buon sonno migliora le prestazioni intellettuali, l’apprendimento e la memoria e, infatti, è esperienza comune il fatto che al risveglio può capitare di trovare pronta la soluzione di problemi irrisolti il giorno prima.
L’ottimizzazione della rete cerebrale composta dai neuroni e dalle sinapsi per mezzo di meccanismi che richiedono l’attivazione delle onde lente corticali che caratterizzano il sonno profondo è probabilmente tra gli ingredienti che determinano la superiorità dell’intelligenza umana e animale su quella artificiale.
“Abbiamo ancora molto da imparare dalla bio-intelligenza, – commenta Cristiano Capone, della sezione INFN di Roma Sapienza e primo autore dell’articolo – e dal meccanismo che abbiamo trovato potremmo avere interessanti effetti di trasferimento tecnologico verso i futuri sistemi di intelligenza artificiale e robotica”.
Il modello è stato sviluppato dal laboratorio di calcolo parallelo APE della Sezione INFN di Roma, in collaborazione con Bruno Golosio della sezione INFN e dell'Università di Cagliari. Lo studio si inserisce nel quadro dello Human Brain Project, co-finanziato dall’Unione Europea con circa 500 milioni di euro distribuiti fino al 2023 nell’arco di 10 anni, e coinvolge più di cento istituzioni di ricerca. L’INFN è entrato a far parte dello HBP dal 2016 alla guida dell’esperimento Wavescales (Wave Scaling Experiments and Simulations), che studia l’attività della corteccia cerebrale, combinando metodologie sperimentali, teoriche e di simulazione.
Modello e simulazioni sono descritti nell’articolo Open Access pubblicato sulla rivista Scientific Reports del gruppo Springer Nature:
https://www.nature.com/articles/s41598-019-45525-0
HBP fornisce un contesto ottimale per l’integrazione della neuroscienza computazionale e sperimentale. Maggiori informazioni sulla ricerca sulla coscienza e sul sonno in HBP:
https://cordis.europa.eu/news/rcn/131260/en
Sui metodi di simulazione in HBP:
https://www.humanbrainproject.eu/en/follow-hbp/news/the-scientific-case-for-brain-simulations/
