A volte, i protagonisti delle storie più sorprendenti non sono quelli che ci aspetteremmo. Da decenni la neuroscienza si è concentrata quasi esclusivamente sui neuroni: le stelle del sistema nervoso, responsabili dell’invio e della ricezione dei segnali, della costruzione dei pensieri e della formazione dei ricordi.
Ma sullo sfondo della scena cerebrale ci sono altre cellule, molto più numerose e, finora, molto meno comprese.
E se la nostra capacità di memoria non dipendesse solo dai neuroni, ma anche da alcune compagne invisibili? Questo spiegherebbe come si formano i ricordi fin dall'infanzia: una vera e propria rivoluzione.
Ricercatori del MIT e dell’IBM hanno proposto un’idea provocatoria: gli astrociti — un tipo di cellula gliale tradizionalmente considerata di supporto — potrebbero essere elementi fondamentali nella memorizzazione dei ricordi. Non si tratta di un’intuizione campata in aria: si tratta di un complesso modello matematico e biologico che punta a un cambiamento radicale nel modo in cui comprendiamo la mente.
Astrociti: i grandi ignorati del cervello
Gli astrociti non sono una rarità nel cervello, ma il suo tipo di cellula più abbondante. Sebbene la loro funzione classica sia stata quella di mantenere l'equilibrio chimico, ripulire i residui e aiutare i neuroni con nutrienti e ossigeno, nuove ricerche hanno dimostrato che fanno molto di più.
Gli astrociti hanno prolungamenti che possono avvolgere le sinapsi — i punti di connessione tra i neuroni — e formare strutture chiamate sinapsi tripartite.
Un singolo astrocita può entrare in contatto con più di un milione di sinapsi, creando un'enorme rete di interazione che prima non si riteneva funzionale. Per molto tempo si è pensato che gli astrociti si limitassero ad “ascoltare” passivamente.
Tuttavia, studi recenti hanno rivelato che possono rilevare l’attività neuronale e rispondere rilasciando gliotransmettitori, molecole che influenzano direttamente il segnale trasmesso tra i neuroni.
Un'ipotesi dirompente: memorie al di là dei neuroni
Il nuovo studio, pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, propone un modello computazionale basato su queste funzioni degli astrociti. Secondo gli autori, la capacità di immagazzinare ricordi potrebbe risiedere in parte nella rete dei processi astrogliali, e non solo nelle sinapsi neuronali come si credeva finora.
La proposta degli autori è che gli astrociti effettuino calcoli e che tali elaborazioni siano modellate da vie di segnalazione interne modificabili. Questa affermazione non è una speculazione priva di fondamento: è supportata da un modello matematico di memoria associativa ispirato alle reti neurali artificiali.
Si tratta di un'estensione delle reti di Hopfield, che sono state fondamentali nella neuroscienza teorica e nello sviluppo dell'intelligenza artificiale.
La novità sta nel fatto che questo nuovo modello integra gli astrociti come unità computazionali in grado di aumentare drasticamente la capacità di archiviazione della rete. E lo fanno grazie alla loro capacità di trasmettere calcio internamente e di comunicare con molte sinapsi contemporaneamente.
Dalle reti artificiali al cervello umano
Il modello sviluppato appartiene a una classe chiamata “memorie associative dense” (Dense Associative Memories). Queste reti superano i limiti delle reti di Hopfield tradizionali, che consentono di memorizzare solo un numero relativamente basso di pattern.
Al contrario, con l’incorporazione degli astrociti come nodi interconnessi, il modello del MIT dimostra una crescita scalabile della capacità di memoria: più astrociti ci sono, più ricordi sono possibili.
«Il nostro lavoro dimostra che le reti neurone-astrociti seguono una legge di scalabilità della memoria superiore», affermano nell’articolo. Ciò significa che ogni nuova unità non solo aggiunge informazioni, ma moltiplica la capacità di archiviazione.
I ricercatori sostengono che questo miglioramento deriva dall’archiviazione dei ricordi nella rete interna dei processi degli astrociti, e non solo nelle connessioni sinaptiche.
In altre parole, ciò che gli astrociti apportano non è solo volume, ma una struttura in grado di ospitare e recuperare modelli di attività cerebrale con maggiore efficienza. Questa scoperta non contraddice la teoria dell’engramma — l’idea che i ricordi risiedano in insiemi specifici di neuroni attivati durante l’apprendimento —, ma la integra.
Come si inseriscono gli astrociti nell’elaborazione cerebrale? Il cuore di questa proposta sta in un concetto matematico: la funzione di energia. In questo tipo di modelli, ogni ricordo è associato a un “minimo” di energia in uno spazio astratto.
Quando attiviamo una parte di quel ricordo, l’attività cerebrale tende naturalmente a completare lo schema e a portarci al ricordo completo. È un modo per spiegare fenomeni come il riconoscimento o l’evocazione spontanea.
L'aspetto affascinante del nuovo modello è che introduce interazioni a quattro elementi attraverso una rete di processi astrogliali, consentendo una codifica molto più complessa ed efficiente.
La presenza del tensore T, una struttura matematica che rappresenta queste connessioni, è fondamentale per comprendere come gli astrociti potrebbero facilitare le interazioni tra sinapsi distanti e contribuire così a reti di memoria più potenti.
Inoltre, gli autori spiegano che, nelle simulazioni, questo sistema è in grado di correggere errori e persino di completare immagini o suoni parzialmente distorti. In altre parole, non solo immagazzina di più, ma lo fa anche in modo più robusto e flessibile.
Implicazioni per le neuroscienze e l'intelligenza artificiale
Questo modello pone una sfida diretta a una delle ipotesi centrali delle neuroscienze: che la sinapsi tra neuroni sia l'unico substrato della memoria. Se si confermasse che anche gli astrociti immagazzinano informazioni, si dovrebbe riscrivere una parte importante dei manuali di neurobiologia.
Inoltre, le connessioni tra questo modello e i sistemi di IA più avanzati sono sorprendenti. Il team suggerisce che la sua architettura possa fungere da ponte tra memorie associative dense e meccanismi di attenzione come quelli utilizzati nei trasformatori, le reti che alimentano modelli come ChatGPT.
Questo apre una possibilità inaspettata: che comprendere meglio il ruolo degli astrociti nel cervello ci aiuti a costruire algoritmi di intelligenza artificiale migliori. E, viceversa, che modelli informatici ispirati alla biologia possano aiutarci a svelare segreti che la nostra mente nasconde ancora.
Come verificare questa teoria? Il passo successivo, secondo gli autori, è sperimentale. Per testare la validità del modello, bisognerebbe manipolare le connessioni interne dei processi astrogliali e vedere come ciò influisce sulla memoria.
Sebbene tecnicamente difficile, non è impossibile con gli attuali strumenti della neurobiologia molecolare.
Propongono inoltre di adattare il modello a dati fisiologici reali, come limitare le connessioni solo a processi astrogliali vicini tra loro. Ciò consentirebbe di avvicinare la simulazione al comportamento cerebrale osservato e di confermare se gli astrociti partecipano realmente in modo attivo alla formazione dei ricordi.
«Il nostro modello prevede che ostacolare la diffusione del calcio attraverso gli astrociti renderebbe significativamente più difficile il recupero dei ricordi», spiegano gli autori. Se futuri esperimenti confermeranno questa ipotesi, ci troveremmo di fronte a una rivoluzione nella comprensione del cervello.
