Un 'evento' del cervello, registrato con fMRI. Gli scatti, a 6 secondi di distanza, mostrano segnali cerebrali correlati prima, durante, e dopo una breve esplosione di attività.

Usando un nuovo modello di attività cerebrale, Maria Papa, Richard Betzel e Olaf Sporns, neuroscienziati computazionali dell'Indiana University, stanno esplorando scoppi sorprendenti di attività nel cervello umano, che finora non erano ancora stati esaminati. Queste esplosioni possono essere potenzialmente biomarcatori per malattie e condizioni del cervello, come la depressione, la schizofrenia, la demenza, e l'ADHD.

Analizzando dati di neuroscansioni umane, il team di ricerca ha scoperto brevi esplosioni di attività che formano 'eventi' continui nel cervello e avvengono sempre, qualsiasi sia l'attività o lo stato del cervello. Nel corso di una scansione del cervello di 10 minuti, questi eventi si verificano circa 10/20 volte, ciascuno della durata di pochi secondi, secondo le scoperte dei ricercatori.

Olaf Sporns, professore distinto e preside del College of Arts and Sciences nel Dipartimento di Scienze Psicologiche e Cerebrali della IU Bloomington, ha dichiarato:

“Quello che gli scienziati non avevano ancora visto è che la comunicazione tra le regioni del cervello è cosparsa di questi brevi momenti, che durano solo pochi secondi, durante i quali succedono molte cose.

“Ora che li vediamo, ci siamo concentrati su quei momenti per avere un quadro di come si collegano e parlano tra di loro specifiche regioni cerebrali durante questi eventi”.

Per iniziare a investigare sul funzionamento di questi eventi misteriosi, il team ha costruito un modello computazionale. Il gruppo, guidato da Maria Pope, dottoranda in neuroscienze e informatica del laboratorio di Sporns, ha usato dati di neuroscansioni di un cervello umano per costruire un modello che replica le sue connessioni. Il modello ha poi simulato uno stato simile al cervello a riposo per creare segnali MRI sintetici, con equazioni matematiche che ricreano l'attività neuronale.

Il modello ha mostrato eventi di tipo scoppio, proprio come quelli visti nelle registrazioni del cervello umano. Il documento che delinea il modello e lo confronta con il vero cervello è stato pubblicato il 16 novembre su PNAS-Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Il modello ci mostra che questi eventi sono guidati dalla rete strutturale del cervello”, ha detto la Pope. “Essi sono legati alla struttura fisica del cervello”.

Più in particolare, gli eventi sono originati in gruppi di neuroni e regioni del cervello che sono densamente interconnesse e che si accendono momentaneamente insieme. Sporns ha paragonato il modello a un'orchestra che suona un brano musicale.

“Ci sono momenti in cui l'orchestra si riunisce e c'è un tema. Non suonano una singola nota per 10 minuti. Ci sono brevi momenti in cui domina l'attività coordinata e altre volte potrebbe esserne molto di meno“, ha detto Sporns. “Questo flusso e riflusso di coordinamento è qualcosa che vediamo anche nel cervello, e il nostro modello può riprodurlo. Gruppi di regioni del cervello si combinano in modi diversi. Non è solo un modello, ma molteplici variazioni su un tema“.

L'esito del nuovo modello, secondo Sporns, è un potenziale punto di svolta.

“La connettività funzionale ha ricevuto una forte attenzione nella ricerca come potenziale biomarcatore per i disturbi cerebrali ed è stata correlata a condizioni come la depressione, la schizofrenia, la demenza, e l'ADHD. E i ricercatori stanno provando da anni a usare simulazioni del cervello in applicazioni cliniche per modellare lesioni o malattie“, ha detto Sporns. “Questo nuovo modello ci dà una lente migliore attraverso cui guardare il cervello, per vedere più chiaramente ciò che accade sia in condizioni normali che anormali”.

I ricercatori stanno ora approfondendo il motivo per cui il cervello umano impiega queste brevi raffiche di attività.

“Forse il cervello ha sviluppato questo tipo di attività perché dà dei benefici. Qualcosa nella struttura degli eventi può essere utile per il cervello“, ha detto la Pope. “Per esempio, molti tipi di sistemi di rete devono fare aggiornamenti occasionali al sistema o ripristini, prendendo un qualche tipo di informazioni utile a livello globale e comunicandolo al resto del sistema”.

Le risposte a queste domande possono avere implicazioni non solo per capire il cervello, ma anche per studiare le reti neurali e per l'intelligenza artificiale.

“Una mappatura più chiara della struttura e delle funzioni a livello individuale potrebbe avere implicazioni nel modo in cui diagnostichiamo le malattie neurologiche e per arrivare a un trattamento e un intervento personalizzato”, ha detto Richard Betzel, professore nel Collegio di Arti e Scienze del Dipartimento di Scienze Psicologiche e Cerebrali.

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