Rappresentazione grafica dell'«impalcatura» della connettività cerebrale. (Credit: USC Institute for Neuroimaging and Informatics)Dei neuroscienziati hanno individuato, per la prima volta sistematicamente, l'«impalcatura» della sostanza bianca del cervello umano, la rete critica di comunicazione che supporta la funzione cerebrale.

Il loro lavoro, pubblicato ieri 11 Febbraio sulla rivista ad accesso libero Frontiers in Human Neuroscience, ha importanti implicazioni per la comprensione di lesioni cerebrali e malattie.

Dettagliando le connessioni che hanno la maggiore influenza su tutti gli altri collegamenti, i ricercatori non solo offrono la prima mappa punto-di-riferimento dei principali percorsi della sostanza bianca, ma mostrano anche quali connessioni possono essere più vulnerabili ai danni.

"Abbiamo coniato il termine «scaffold» [=impalcatura] della sostanza bianca perché questa rete definisce l'architettura informativa che supporta la funzione del cervello", ha detto l'autore senior John Darrell Van Horn dell'«Institute for Neuroimaging and Informatics» della University of Southern California e del «Laboratory of Neuro Imaging» della USC. "Anche se tutte le connessioni nel cervello hanno la loro importanza, ci sono legami particolari che sono attori principali".

Con i dati della risonanza magnetica di un ampio campione di 110 individui, l'autore principale Andrei Irimia, anch'egli dell'«Institute for Neuroimaging and Informatics», e Van Horn, hanno simulato sistematicamente gli effetti di danni ad ogni percorso della sostanza bianca. Hanno scoperto che le aree più importanti della sostanza bianca e grigia non sempre si sovrappongono. La materia grigia è la parte più esterna del cervello che contiene i neuroni che elaborano e memorizzano le informazioni.

Una ricerca precedente aveva individuato le aree di sostanza grigia che sono sproporzionatamente colpite dalle lesioni.
Ma lo studio attuale dimostra che i percorsi più vulnerabili della sostanza bianca (l'«impalcatura» nucleo) non sono necessariamente solo i collegamenti tra le aree più vulnerabili della materia grigia, il che aiuta a spiegare perché delle lesioni apparentemente piccole del cervello possono avere effetti devastanti.

"A volte le persone sperimentano una ferita alla testa che sembra grave, ma dalla quale recuperano. Dall'altra parte, alcune persone hanno un infortunio apparentemente piccolo con effetti clinici molto gravi", spiega Van Horn, professore associato di neurologia alla «Keck School of Medicine» della USC. "Questa ricerca ci aiuta ad affrontare meglio le sfide cliniche come la lesione traumatica cerebrale e a determinare ciò che rende alcune percorsi della sostanza bianca particolarmente vulnerabili ed importanti".

I ricercatori hanno confrontato le loro analisi di imaging cerebrale, con i modelli usati per comprendere le reti sociali. Per avere un'idea di come funziona il cervello, Irimia e Van Horn si sono concentrati non solo sui più importanti nodi della sostanza grigia, che sono simili agli individui all'interno di una rete sociale. Né si sono limitati ad esaminare come sono connessi quei nodi. Essi hanno esaminato anche la forza di queste connessioni della sostanza bianca, cioè quali connessioni sembrano essere particolarmente sensibili o che provocano le maggiori ripercussioni nella rete quando vengono rimosse.

Le connessioni che creano i maggiori cambiamenti formano l'«impalcatura» della rete. "Proprio come, quando si interrompe la connessione Internet al computer, non arrivano più email, ci sono percorsi della sostanza bianca che si traducono in errori di comunicazione su larga scala nel cervello quando sono danneggiati", ha detto Van Horn.

Quando i percorsi della sostanza bianca sono danneggiati, le aree cerebrali servite da tali connessioni possono appassire o le loro funzioni sono prese in carico da altre regioni del cervello, spiegano i ricercatori. La ricerca di Irimia e di Van Horn sulle connessioni centrali della sostanza bianca, finanziata dai NIH, fa parte di un programma scientifico mondiale per mappare i 100 miliardi di neuroni e i 1.000 miliardi di connessioni nel cervello umano vivente, guidato dall'«Human Connectome Project» e dal «Laboratory of Neuro Imaging» della USC.

Irimia osserva che "questi nuovi risultati sull'impalcatura delle reti cerebrali aiutano a informare i medici sulle conseguenze neurologiche delle malattie cerebrali come la sclerosi multipla e l'Alzheimer, così come del trauma cranico grave. Organizzazioni sportive, militari e governo degli Stati Uniti hanno un notevole interesse a capire i disturbi cerebrali, e il nostro lavoro contribuisce, con quello di altri scienziati, a questa emozionante era per la ricerca sul cervello".

Fonte:  University of Southern California.

Riferimenti: Andrei Irimia, John D. Van Horn. Systematic network lesioning reveals the core white matter scaffold of the human brain. Frontiers in Human Neuroscience, 2014; 8 DOI: 10.3389/fnhum.2014.00051

Pubblicato in eurekalert.org (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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