Ricerche

Secondo Hengen e Shew, la criticità - uno stato modellato da evoluzione, crescita e sonno riparativo - segna il picco del potere di calcolo del cervello. (Fonte: Hengen & Shew, Neuron, 2025)

In un nuovo studio con implicazioni sulla prevenzione del morbo di Alzheimer (MA) e altri disturbi neurologici, Keith Hengen, professore associato di biologia alla Washington University (WashU) di St. Louis in Missouri, suggerisce un nuovo approccio globale per comprendere come funziona il cervello e le regole che deve seguire per raggiungere prestazioni ottimali.

"C'è la percezione comune che il cervello umano sia la cosa più complicata nell'universo", ha detto Hengen. "Il cervello è immensamente potente, ma quel potere può derivare da un insieme relativamente semplice di principi matematici".

Hengen inizia dalla premessa che quasi tutto ciò che fa il nostro cervello viene appreso o modellato fortemente dall'esperienza. In altre parole, non siamo nati con circuiti cablati pre-programmati per aiutarci a leggere, guidare auto o fare qualsiasi altra cosa che facciamo ogni giorno. Un cervello sano deve essere pronto a imparare qualsiasi cosa.

Ma un insieme di neuroni come è in grado di apprendere? Hengen suggerisce che il cervello diventa una macchina di apprendimento solo quando raggiunge uno stato speciale chiamato 'criticità'. Concetto preso in prestito dalla fisica, criticità descrive un sistema complesso che si trova nel punto di svolta tra ordine e caos. in quel filo di rasoio, il cervello è predisposto a ottenere nuove informazioni, ha detto Hengen: "Il cervello deve raggiungere la criticità per pensare, ricordare e imparare".

Hengen ha proposto la criticità come teoria unificante della funzione cerebrale e delle malattie nello studio pubblicato su Neuron, con il coautore Woodrow Shew, fisico all'Università dell'Arkansas. Un biologo e un fisico possono sembrare uno strano abbinamento, ma la nuova teoria unificante fonde entrambi i regni della scienza. I fisici spesso descrivono la criticità usando l'esempio classico del mucchio di sabbia: quando viene aggiunta sabbia, il mucchio cresce sempre di più fino a quando alla fine non frana. Proprio prima che quell'ultimo granello inneschi un momento di caos, il mucchio era a un angolo critico, a un passo dall'instabilità.

Shew ha spiegato che i fisici hanno inizialmente sviluppato una profonda comprensione della criticità come un modo per descrivere i magneti e altri materiali. Intorno alla fine del 21° secolo, queste idee furono ampliate per spiegare una gamma più ampia di sistemi complessi, che comprendono valanghe, terremoti e, in definitiva, sistemi viventi e cervello.

Un aspetto determinante dei sistemi critici è che sembrano uguali su qualsiasi scala: un mucchio di sabbia sull'orlo di franare ha la stessa pendenza che sia piccolo o una montagna. Nel cervello, la criticità è costante che venga misurata in una manciata di neuroni o in un'intera regione. Allo stesso modo, i modelli cerebrali che si dipanano nel tempo sono sorprendentemente simili se considerati in millisecondi o ore.

"Questo corrisponde alla nostra comprensione intuitiva di come funziona il cervello", ha detto Hengen. "Le nostre esperienze interne vanno da millisecondi a mesi. Non hanno una scala".

Hengen e Shew suggeriscono che la criticità non è solo un concetto teorico; è uno stato che può essere misurato e calcolato con precisione attraverso la tecnologia di scansione cerebrale fMRI.

"La criticità è lo stato di calcolo ottimale del cervello", ha affermato Hengen. "Abbiamo sviluppato un modo matematico per misurare quanto il cervello sia vicino alla criticità, il che dovrebbe aiutarci a fissare le domande fondamentali su come funziona un cervello umano".

Una nuova comprensione della malattia

Il quadro di criticità offre una nuova prospettiva per comprendere le malattie neurologiche. Piuttosto che concentrarsi su specifiche regioni cerebrali danneggiate o proteine ​​accumulate, Hengen sostiene che malattie come il MA distruggono qualcosa di più semplice: la capacità del cervello di mantenere la criticità:

"Il MA e altre malattie neurodegenerative non danneggiano solo i neuroni, infrangono la capacità generale del cervello di calcolare dissolvendo lentamente la criticità. Nell'allontanarsi sempre più dalla criticità, un cervello perde la capacità di adattarsi ed elaborare le informazioni efficacemente".

Questo quadro spiega una caratteristica sconcertante delle malattie cerebrali: i pazienti spesso sembrano completamente normali fino a quando non perdono molti neuroni. Hengen spiega:

"Il cervello ha notevoli capacità compensative che possono mascherare i problemi funzionali anche se la criticità inizia a erodersi. Le valutazioni tradizionali mancano le prime fasi perché si concentrano su obiettivi consolidati che il cervello cerca di mantenere attraverso soluzioni alternative.

"Man mano che la criticità si deteriora, il cervello lavora di più per ottenere gli stessi esiti cognitivi. È come un motore che funziona ancora ma richiede più carburante e genera più calore. Quando notiamo problemi di memoria o altri sintomi, la criticità probabilmente è compromessa da anni".

La collaborazione di Hengen con David M. Holtzman MD, illustre professore della WashU Medicine, ha rivelato che l'accumulo di proteina tau nel MA distrugge direttamente la criticità, fornendo un chiaro legame tra i segni distintivi molecolari della malattia e il collasso cognitivo. Questa connessione tra criticità e MA apre entusiasmanti possibilità diagnostiche. In teoria, una semplice fMRI potrebbe aiutare a rilevare i guasti negli anni critici che precedono i sintomi.

"In combinazione con esami del sangue di avanguardia, potremmo identificare le persone a rischio e intervenire prima che si verifichino danni irreversibili", ha detto Hengen.

Hengen ha collaborato anche con Deanna Barch, prof.ssa di psichiatria e di scienze psicologiche e cerebrali alla WashU Medicine, in uno studio osservazionale per vedere come la criticità alla nascita determina lo sviluppo cognitivo e le capacità durante l'infanzia.

"Fin dall'inizio, alcuni bambini sono più vicini alla criticità di altri, il che, in base alla nostra teoria, suggerisce che saranno studenti migliori", ha detto Hengen. "Molti fattori esterni possono influire sul loro successo a scuola, ma la criticità può spiegare una parte impressionante della variabilità tra i bambini".

La connessione sonno-mente

All'inizio del 2024, Hengen e il coautore Ralf Wessel, professore di fisica della WashU, usarono il concetto di criticità per rivisitare una domanda annosa: perché abbiamo bisogno di dormire? Tracciando l'attività cerebrale per diverse settimane, hanno scoperto che il sonno ripristina uno stato di criticità. "Essere svegli e attivi ci allontana dalla criticità e il sonno è come un pulsante di ripristino", ha spiegato Hengen.

Questa intuizione potrebbe aiutare i ricercatori a sbloccare il potere del sonno come terapia per il MA e altre malattie neurologiche che allontanano il cervello dal suo stato ottimale. Precedenti studi di Holtzman e altri hanno scoperto che le persone che non dormono quanto serve - forse a causa del lavoro a turni o dell'insonnia cronica - hanno un rischio molto più elevato di MA mentre invecchiano. E ci sono già alcune prove che gli interventi del sonno possono aiutare a rallentare la progressione dei sintomi di MA.

Hengen ritiene che una terapia mirata e intensiva basata sul sonno possa aiutare a ripristinare la criticità e migliorare l'apprendimento e la memoria nelle persone con malattie cerebrali. Gli studi sui topi condotti da Holtzman e James McGregor, ricercatore post-dottorato del laboratorio di Hengen, fanno intravedere le possibilità: i topi che hanno specificamente allevato per avere sintomi di MA apprendono più velocemente dopo che un intervento mirato del sonno ha rafforzato la criticità.

Futuro cruciale

C'è molto lavoro da fare, ma Hengen alla fine vorrebbe capire come la criticità aiuta a spiegare le complesse caratteristiche della neurobiologia umana.

"Potremmo scoprire che una persona che è un artista straordinario, per esempio, potrebbe essere estremamente vicino alla criticità in alcune parti del cervello coinvolte nell'ideazione creativa", ha detto. "È anche possibile che uno sguardo ravvicinato alla criticità possa indicare tendenze o talenti non scoperti che necessitano solo di uno sbocco. Forse non hanno mai provato l'arte, ma possiamo vedere che il potenziale è lì".

Nel frattempo, Hengen, Show e altri stanno spargendo la voce sull'importanza della criticità. Hengen ha presentato l'argomento su TEDx nel 2024 e ha condiviso il suo lavoro alla Research Pitch Competition inaugurale, dove è stato classificato al secondo posto. Spera che il nuovo studio ispiri conversazioni tra neurologi, medici, giornalisti e pubblico in generale.

Una teoria unificata della mente potrebbe cambiare il mondo, ma prima deve unire gli esperti. "Io e Woody (Shew) pensiamo davvero di essere su qualcosa qui", ha detto Hengen. "E, forse lentamente, altri stanno iniziando a concordare".