Ricerche

Se guardi attentamente una risonanza magnetica del cervello, vedrai un'onda attraversare l'intero cervello come un battito cardiaco, ogni pochi secondi. Questo ritmo ultra-lento è stato visto decine di anni fa, ma nessuno sapeva cosa farne. I dati RM sono intrinsecamente rumorosi, quindi la maggior parte dei ricercatori ha semplicemente ignorato le onde ultra lente.

Ma studiando l'attività elettrica nel cervello dei topi, i ricercatori della Washington University di St. Louis hanno scoperto che le onde ultra-lente sono tutt'altro che rumore. Assomigliano alle onde nel mare, e tutto ciò che succede nel cervello si muove su delle barche in quel mare.

La ricerca fatta fino ad oggi si è concentrata su cosa succede dentro le barche, senza pensare troppo al mare stesso. Ma le nuove informazioni suggeriscono che le onde hanno un ruolo centrale nel modo in cui si coordina il cervello complesso, e le onde sono direttamente collegate alla coscienza.

"Il tuo cervello ha 100 miliardi di neuroni più o meno, e devono essere coordinati", ha detto l'autore senior Marcus Raichle MD, 'Distinguished Professor' di Medicina e professore di radiologia del Mallinckrodt Institute of Radiology della facoltà di medicina. "Questi segnali, che variano lentamente nel cervello, sono un modo per avere un coordinamento su larga scala delle attività in tutte le diverse aree del cervello. Quando l'onda sale, le aree diventano più eccitabili; quando scende, lo diventano meno".

Lo studio è stato pubblicato il 29 marzo sulla rivista Neuron.

Nei primi anni 2000, Raichle e altri hanno scoperto modelli di attività cerebrale nelle persone mentre giacevano tranquillamente nelle apparecchiature di risonanza magnetica, lasciando vagare la mente. Queste cosiddette «reti allo stato di riposo» sfidavano l'ipotesi che il cervello si calma da solo quando non è attivamente impegnato in un compito. Ora sappiamo che anche quando senti di non fare nulla, il tuo cervello continua a mormorare, bruciando un'energia quasi pari a quella del sogno ad occhi aperti, o a quella richiesta per risolvere un problema difficile di matematica.

Usando le reti a riposo, altri ricercatori hanno iniziato a cercare - e a trovare - aree cerebrali che si comportavano in modo diverso nelle persone sane rispetto alle persone con malattie cerebrali come la schizofrenia e l'Alzheimer. Ma pure se i dati di risonanza magnetica allo stato di riposo fornivano nuove informazioni sui disturbi neuropsichiatrici, hanno mostrato con coerenza anche ondate di attività che si diffondevano con una lenta regolarità in tutto il cervello, indipendentemente dalla malattia studiata. Onde simili sono state osservate su scansioni cerebrali di scimmie e roditori.

Alcuni ricercatori hanno pensato che queste onde ultra-lente non fossero altro che un artefatto della stessa tecnica RM. La risonanza magnetica calcola indirettamente l'attività cerebrale misurando il flusso di sangue ricco di ossigeno per un periodo di secondi, una scala temporale molto lunga per un organo che invia messaggi da un decimo a un centesimo di secondo. Piuttosto che un processo relmente lento, si è ragionato, le onde potrebbero essere la somma di molti segnali elettrici rapidi per un tempo relativamente lungo.

Il primo autore Anish Mitra PhD e Andrew Kraft PhD (entrambi studenti MD/PhD della Washington University), con i colleghi, hanno deciso di affrontare il mistero delle onde ultra-lente usando due tecniche che misurano direttamente l'attività elettrica nel cervello dei topi. Con una, hanno misurato tale attività a livello cellulare. Con l'altra, hanno misurato l'attività elettrica strato dopo strato lungo la superficie esterna del cervello.

Hanno scoperto che le onde non erano artefatti: le onde ultra-lente sono state osservate con entrambe le tecniche, e non erano la somma di tutte le attività elettriche più veloci nel cervello. Al contrario, i ricercatori hanno scoperto che le onde ultra-lente iniziano spontaneamente in uno strato profondo del cervello dei topi e si diffondono in una traiettoria prevedibile.

Mentre le onde passano per ogni area del cervello, ne potenziano l'attività elettrica. I neuroni sparano più entusiasticamente quando c'è un'onda nelle vicinanze. Inoltre, le onde ultra-lente persistono quando i topi sono messi in anestesia generale, ma con la direzione invertita delle onde.

"C'è un processo molto lento che si muove attraverso il cervello per creare finestre temporanee di opportunità per la segnalazione a lunga distanza", ha detto Mitra. "Il modo in cui queste onde ultra-lente si muovono attraverso la corteccia è correlato con enormi cambiamenti nel comportamento, come la differenza tra stati consci e inconsci".

Il fatto che la traiettoria delle onde cambi così radicalmente con lo stato di coscienza, suggerisce che le onde ultra-lente potrebbero essere fondamentali per il funzionamento del cervello. Se le aree del cervello fossero delle barche che si muovono su un mare ad onde lente, la maretta e la direzione del mare influiscono sicuramente sulla facilità con cui un messaggio può essere passato da una barca all'altra, e sulla difficoltà con cui due barche coordinano la loro attività.

I ricercatori ora stanno studiando se le anormalità nella traiettoria di tali onde ultra-lente potrebbero spiegare alcune delle differenze osservate nelle scansioni MRI tra persone sane e persone con condizioni neuropsichiatriche come la demenza e la depressione.

"Se guardi il cervello di qualcuno con schizofrenia, non vedi una grossa lesione, ma qualcosa non è corretto nel modo in cui è organizzata l'intera macchina del cervello", ha detto Raichle, che è anche professore di ingegneria biomedica, di neurologia, di neuroscienze e di scienze psicologiche e cerebrali. "Quello che abbiamo trovato qui potrebbe aiutarci a capire cosa sta andando storto. Queste onde molto lente sono uniche, spesso trascurate e assolutamente centrali rispetto al modo in cui il cervello è organizzato. Questa è la linea di fondo".