Il modo con cui funziona il cervello rimane un puzzle con pochi pezzi a posto. Uno di questi, grande, è in realtà una congettura: che ci sia una relazione tra la struttura fisica del cervello e la sua funzionalità.

Il lavoro del cervello include interpretare il tatto, la visione e i suoni, così come parlare, ragionare, gestire le emozioni, apprendere, controllare con precisione il movimento e molti altri. I neuroscienziati presumono che è l'anatomia del cervello (con le sue centinaia di miliardi di fibre nervose) a eseguire tutte queste funzioni possibili. I 'fili viventi' del cervello sono collegati in reti neurologiche elaborate che danno origine alle sorprendenti abilità degli esseri umani.

Per esempio sembrerebbe che, se gli scienziati potessero mappare le fibre nervose e le loro connessioni e registrare i tempi degli impulsi che fluiscono attraverso di loro per una funzione superiore come la visione, essi dovrebbero essere in grado di risolvere il problema di come vediamo.

I ricercatori sono sempre più bravi a mappare il cervello con la trattografia, una tecnica che rappresenta visivamente i percorsi delle fibre nervose attraverso la modellazione 3D. E stanno sempre più migliorando nel registrare come le informazioni si muovono nel cervello usando una risonanza magnetica funzionale migliorata che misura il flusso di sangue. Ma a dispetto di questi strumenti, nessuno sembra così vicino a capire come vediamo realmente. La neuroscienza ha solo una conoscenza rudimentale di come il tutto si integra.

Per colmare questa lacuna, il mio team di ricerca in bioingegneria si concentra sulle relazioni tra struttura e funzione del cervello. L'obiettivo generale è spiegare scientificamente tutti i collegamenti, sia anatomici che senza fili, che attivano diverse regioni del cervello durante i compiti cognitivi. Stiamo lavorando su modelli complessi che catturano meglio ciò che gli scienziati sanno delle funzioni cerebrali.

In definitiva un quadro più chiaro della struttura e funzione può precisare i modi con cui la chirurgia cerebrale tenta di correggere la struttura e, viceversa, i modi con cui i farmaci cercano di correggere le funzioni.

Punti caldi senza fili nella tua testa

Le funzioni cognitive come il ragionamento e l'apprendimento usano un certo numero di regioni cerebrali distinte in modo sequenziato nel tempo. La sola anatomia (neuroni e fibre nervose) non può spiegare l'eccitazione di queste regioni, simultaneamente o in tandem. Alcuni collegamenti sono in realtà 'senza fili'. Queste sono connessioni elettriche del campo vicino, e non connessioni fisiche catturate dalla trattografia.

Il mio gruppo di ricerca lavora da diversi anni per dettagliare le origini di queste connessioni senza fili e per misurare le loro intensità di campo. Una semplice analogia di ciò che accade nel cervello è come funziona un router senza fili. Internet arriva al router tramite una connessione cablata. Il router quindi invia le informazioni a un computer portatile usando una connessione senza fili. Il sistema globale di trasferimento di informazioni funziona per merito delle connessioni sia cablate che senza fili.

Nel caso del cervello, le cellule nervose conducono gli impulsi elettrici dal corpo cellulare ad altri neuroni attraverso lunghe braccia filiformi chiamate 'assoni'. Lungo il percorso sono emessi naturalmente dei segnali senza fili da parti non isolate delle cellule nervose. Questi punti che mancano dell'isolamento protettivo che avvolge il resto dell'assone si chiamano 'nodi di Ranvier'.

I nodi di Ranvier permettono agli ioni carichi di diffondersi dentro e fuori il neurone, propagando il segnale elettrico lungo l'assone. Come gli ioni scorrono dentro e fuori, si generano campi elettrici. L'intensità e la struttura di questi campi dipende dall'attività della cellula nervosa. Qui al Global Center for Neurological Networks ci stiamo concentrando sul modo in cui funzionano questi segnali senza fili nel cervello per comunicare le informazioni.

Il mondo non lineare del cervello

Le indagini sul modo in cui le regioni eccitate del cervello corrispondono alle funzioni cognitive fanno un altro errore quando si basano su ipotesi che portano a modelli eccessivamente semplici.

I ricercatori tendono a modellare la relazione come lineare con una sola variabile, che misura la dimensione media della risposta di una singola regione del cervello. È la logica alla base della progettazione del primo apparecchio acustico: se una persona alza del doppio la voce, l'orecchio dovrebbe rispondere due volte tanto.

Ma gli apparecchi acustici sono migliorati notevolmente negli anni quando i ricercatori sono giunti a capire meglio che l'orecchio non è un sistema lineare, ed è richiesta una forma di compressione non lineare per abbinare i suoni generati alla capacità di chi ascolta. In realtà, la maggior parte delle cose viventi non ha sistemi di rilevamento che rispondono in maniera lineare, in modo uno-a-uno, agli stimoli.

I modelli lineari assumono che se l'ingresso di un sistema è raddoppiato, anche l'uscita dal sistema sarà raddoppiata. Ciò non vale per i modelli non lineari, dove possono esistere molti valori di uscita per un singolo valore d'ingresso. E la maggior parte degli scienziati concorda sul fatto che i calcoli neurali sono in effetti non lineari.

Una questione cruciale per comprendere il legame tra cervello e comportamento è come il cervello decide il miglior modo di agire tra le alternative in competizione. Ad esempio, la corteccia frontale del cervello fa scelte ottimali calcolando numerose quantità (variabili), calcolando il potenziale profitto, la probabilità di successo e il costo in termini di tempo e fatica. Dal momento che il sistema è non lineare, il raddoppio del ritorno potenziale può produrre una decisione finale molto più che doppia.

I modelli lineari perdono la ricca varietà di possibilità che possono esserci nelle funzioni del cervello, in particolare quelle oltre quanto suggerito dalla struttura anatomica. È come la differenza tra una rappresentazione 2D e una 3D del mondo che ci circonda. I modelli lineari attuali descrivono solo il livello medio di eccitazione in una regione del cervello, o il flusso attraverso una superficie del cervello.

Queste sono molte meno informazioni di quante usiamo io e i miei colleghi quando costruiamo i nostri modelli non lineari sia dalla risonanza magnetica funzionale migliorata che dai dati di bioimmagini elettriche del campo vicino. I nostri modelli forniscono un'immagine 3D del flusso di informazioni attraverso le superfici del cervello e in profondità al suo interno, e ci portano più vicini a rappresentare come funziona il tutto.

Anatomia normale, disfunzione fisiologica

Il mio gruppo di ricerca è incuriosito dal fatto che le persone con strutture cerebrali dall'aspetto del tutto normale possono comunque avere grossi problemi funzionali.

Nell'ambito della nostra ricerca sulla disfunzione neurologica, visitiamo individui in hospice, gruppi di sostegno al lutto, strutture di assistenza di riabilitazione, centri traumatologici e ospedali per assistenza acuta. Siamo costantemente spaventati dal renderci conto che le persone che hanno perso i propri cari possono presentare sintomi simili a quelli dei pazienti con diagnosi di Alzheimer.

Il lutto consta di una serie di reazioni emotive, cognitive, funzionali e comportamentali alla morte o ad altri tipi di perdita. Non è uno stato, ma piuttosto un processo che può essere sia temporaneo che permanente. Il cervello di aspetto sano di coloro che soffrono di lutto fisiologico non ha gli stessi problemi anatomici (come regioni cerebrali rimpicciolite e connessioni interrotte tra le reti di neuroni) che si trovano in chi ha l'Alzheimer.

Crediamo che questo sia solo un esempio di come punti caldi del cervello (le connessioni non fisiche), più la ricchezza del funzionamento non lineare del cervello, possono portare a esiti che non si possono prevedere con una scansione cerebrale. Ci sono probabilmente molti altri esempi.

Queste idee possono indicare la strada verso la mitigazione di  condizioni neurologiche gravi attraverso mezzi non invasivi. La terapia non invasiva del lutto e i dispositivi di neuromodulazione elettrici del campo vicino, possono ridurre i sintomi associati alla perdita di una persona cara. Forse questi protocolli e procedure dovrebbero essere offerti di più ai pazienti che soffrono di disfunzione neurologica, per cui le scansioni rivelano cambiamenti anatomici. Si potrebbero risparmiare ad alcuni di questi individui delle procedure chirurgiche invasive.

Generando il diagramma delle connessioni non fisiche di tutto il cervello usando i nostri recenti progressi nella mappatura elettrica del campo vicino, e impiegando ciò che crediamo essere modelli non lineari biologicamente realistici dalle molte variabili, ci porterà più vicini a dove vogliamo andare.

La comprensione migliore del cervello non solo ridurrà la necessità di procedure operative invasive per correggere il funzionamento, ma porterà anche a modelli migliori per ciò che il cervello sa fare meglio: calcolo, memoria, collegamento in rete e distribuzione delle informazioni.