Il cervello decodifica i suoni mediante la connettività

 

 

GIOVANNI ROSSI

 

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XV – 03 novembre 2018.

Testi pubblicati sul sito www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind & Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di studio dei soci componenti lo staff dei recensori della Commissione Scientifica della Società.

 

 

[Tipologia del testo: RECENSIONE]

 

La decodifica delle categorie acustiche alle quali appartengono i suoni è un processo di fondamentale importanza per l’apprezzamento della musica e per il piacere che deriva dall’ascolto, ma ha anche un ruolo di preziosa funzione vicariante nei pazienti con gravi problemi sensoriali, come i non vedenti. Il riconoscimento delle categorie acustiche, acuito dal bisogno di individuare la natura di suoni e rumori, quali segnali per orientarsi nelle circostanze ambientali, è una risorsa insostituibile nella vita delle persone prive della vista. La comprensione dei processi cerebrali alla base di questa facoltà impegna da tempo la ricerca, che a lungo si è basata unicamente sul rilievo delle differenze nell’attività delle aree corticali, rilevate mediante tecniche elettroencefalografiche.

Lo studio diretto della categorizzazione acustica è stato recentemente condotto stimando l’attività cerebrale mediante analisi univariata o metodi di decodifica multivariata riferiti ai voxel di tessuto cerebrale studiato. In tal modo, sono state rilevate regioni cerebrali specificamente sensibili alle categorie uditive. In alcuni studi è stato proposto che le connessioni a feedback fra aree cerebrali possano facilitare la selezione di oggetti uditivi. In questa prospettiva assume importanza l’indagine volta a verificare se la connettività funzionale fra le regioni possa essere impiegata per decodificare la categoria del suono.

Tale verifica è stata condotta da Zhang e colleghi in un interessante studio.

 (Zhang J., et al. Decoding sound categories based on whole-brain functional connectivity patterns. Brain Imaging and Behavior – Epub ahead of print doi: 10.1007/s11682-018-9976-z, Oct 25, 2018).

La provenienza degli autori è la seguente: Medical Imaging Research Institute, Binzhou Medical University, Yantai, Shandong (Cina); School of Computer Science and Technology, Tianjin Key Laboratory of Cognitive Computing Application, Tianjin University, Tianjin (Cina); Department of Radiology, Yantai Affiliated Hospital of Binzhou Medical University, Yantai, Shandong (Cina); Binzhou Medical University, Yantai, Shandong (Cina); State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems, National Laboratory for Information Science and Technology, Tsingua University, Beijing (Cina).

Come è noto, le vie acustiche centrali prendono origine dalle fibre che provengono dalla coclea e formano il contingente cocleare di assoni del nervo acustico (nervo stato-acustico, IANC)[1] che ha il corpo cellulare neuronico nel ganglio spirale del Corti. Questa radice cocleare, entrata nel tronco encefalico all’altezza del bulbo, sembra circondare il peduncolo cerebellare inferiore ma entra in un addensamento di materia grigia situato nella parte laterale del pavimento del quarto ventricolo, dividendolo in due parti: nucleo cocleare ventrale e nucleo cocleare dorsale (tubercolo acustico). Da oltre cinquant’anni è nota un’organizzazione topografica ordinata e costante dei neuroni specifici per ciascun tono musicale (tonotopica) nei nuclei cocleari. Tale organizzazione, che riflette quella della coclea, è conservata fino alla corteccia.

Una sintesi della fisiologia di questo segmento delle vie acustiche è stata proposta in una recensione dello scorso anno:

L’informazione acustica è convogliata dalla coclea ad opera dei processi centrali delle cellule gangliari cocleari che terminano nei nuclei cocleari del tronco encefalico. Da qui l’informazione è trasmessa a vari tipi di neuroni, la maggior parte dei quali è organizzata secondo un criterio tonotopico spaziale. Gli assoni di ciascuno dei tipi neuronici segue una rotta specifica per quel tipo, e termina su precisi e distinti gruppi neuronici del tronco encefalico, trasmettendo l’informazione acustica prevalentemente al collicolo inferiore controlaterale della lamina quadrigemina. Una parte delle fibre provenienti dai nuclei cocleari e indirizzata al collicolo inferiore è diretta, altre fibre implicano nel loro percorso una o due stazioni sinaptiche nei nuclei uditivi del tronco encefalico. Dal nucleo del tubercolo o collicolo inferiore della lamina quadrigemina, l’informazione acustica fluisce lungo due vie: una va ipsilateralmente al collicolo superiore (al quale giungono fibre delle vie ottiche), dove partecipa all’orientamento degli occhi e della testa verso una fonte sonora (movimenti cefalo-oculogiri), l’altra raggiunge il corpo genicolato mediale dello stesso lato, che invia i suoi assoni alla corteccia cerebrale. È importante sottolineare che le vie uditive afferenti dalla periferia alle regioni cerebrali più elevate includono, a vari livelli, feedback efferenti.

Il nervo acustico determina l’organizzazione tonotopica dei nuclei cocleari e distribuisce l’informazione uditiva all’interno di vie nervose parallele. Il nucleo cocleare ventrale estrae l’informazione relativa alla struttura temporale e spettrale dei suoni. Il nucleo cocleare dorsale, DCN […], integra informazioni acustiche e somatosensoriali, impiegando segnali spettrali per la localizzazione dei suoni[2].

Dai nuclei cocleari emergono le fibre che danno luogo alla via acustica centrale. Le fibre efferenti dal nucleo ventrale costituiscono il corpo trapezoide, mentre quelle del nucleo dorsale costituiscono le strie midollari: queste ultime formano la via posteriore o dorsale, contrapposta alla via anteriore o ventrale delle fibre del corpo trapezoide. Più avanti, le vie dorsale e ventrale si uniscono, formando il fascio acustico centrale. Il contingente maggiore di fibre di questo fascio raggiunge il tubercolo inferiore della lamina quadrigemina (nucleo quadrigemello inferiore), dal quale si diparte un fascio che, attraverso il braccio congiuntivo inferiore, raggiunge il corpo genicolato mediale del talamo[3].

È interessante l’organizzazione tonotopica del corpo genicolato mediale (parte dorsale): la parte magnocellulare, ossia il segmento antero-dorsale costituito da neuroni di grandi dimensioni, rappresenta i toni acuti, perché riceve gli assoni della via acustica in collegamento sinaptico con le fibre cocleari dei giri basali, veicolanti l’informazione di alta frequenza di tali toni; la parte parvicellulare o postero-ventrale, caratterizzata da piccole cellule nervose, rappresenta le frequenze gravi o basse, in quanto riceve gli assoni provenienti dai giri apicali della coclea che portano l’informazione corrispondente ai suoni bassi.

Gli assoni in uscita dal corpo genicolato mediale, attraversando col fascio temporo-pontino la parte posteriore sotto-lenticolare della capsula interna, penetrano nel lobo temporale e terminano nell’area uditiva, visibile sulla superficie esterna dell’emisfero, sulla circonvoluzione temporale superiore, in prossimità del solco laterale; tale zona corticale corrisponde all’area 41 di Brodmann e, in parte, al tratto posteriore dell’area 42, situata nella profondità del solco laterale.

Anche l’area uditiva, o area acustica della corteccia cerebrale, conserva una disposizione topografica ordinata e costante dello spettro delle frequenze (tonotopica), per connessioni sinaptiche specifiche fra gruppi di neuroni sensibili agli stessi toni, dalla coclea, lungo tutta la via, fino a questa area, che qui presenta la tipica struttura della coniocorteccia sensoriale. Si ricorda che alterazioni traumatiche o patologiche dell’area uditiva causano sordità corticale. La via acustica centrale include anche fibre discendenti, il cui ruolo non è ancora del tutto chiarito. Si nota, in proposito, che fin dal 2004 è noto che l’orecchio emette suoni[4].

La corteccia uditiva mappa numerosi aspetti del suono, ma l’informazione uditiva è poi elaborata in varie altre aree della corteccia cerebrale. L’ingente mole di dati che si è accumulata negli ultimi due decenni circa l’elaborazione corticale del suono non è facile da sintetizzare, e per questo si rinvia a manuali e rassegne recenti; tuttavia, si può dire che sulla localizzazione, sul riconoscimento e sull’utilizzo dei suoni, inclusi quelli che costituiscono la struttura verbo-acustica della comunicazione linguistica del pensiero, si sono compiuti notevoli progressi. Un aspetto emergente, che colloca lo studio qui recensito nel focus della ricerca attuale, consiste nell’importanza dell’elaborazione distribuita in parallelo, quale base neurofunzionale degli aspetti psichici della percezione uditiva.

Zhang e colleghi hanno costruito i pattern di attività funzionale del cervello intero mentre i soggetti volontari sottoposti all’esperimento percepivano 4 differenti categorie di suoni e li hanno combinati con l’analisi di classificazione multivariata dei pattern per la decodifica dei suoni. Basandosi sulle mappe di “peso”, i ricercatori hanno delineato le reti e le regioni che discriminano le categorie di informazione acustica.

I risultati hanno dimostrato con evidenza che si otteneva una classificazione multi-categoriale di elevata precisione, basandosi sugli schemi di connettività funzionale dell’intero cervello; e i risultati sono stati sottoposti a verifica mediante differenti parametri di pre-elaborazione. L’analisi delle reti di neuroni in grado di discriminare le categorie dei suoni ha mostrato che le connessioni che contribuiscono a questa funzione attraversano l’emisfero destro e sinistro del cervello, e si estendono dalle aree corticali primarie alle regioni di elaborazione dei processi cognitivi di alto livello di astrazione, in tal modo fornendo nuove evidenze della rappresentazione distribuita dell’oggetto uditivo.

Zhang e colleghi hanno poi condotto un’analisi approfondita delle regioni cerebrali che prendono parte alle reti neuroniche discriminative, rilevando che il giro temporale superiore e la circonvoluzione di Heschl contribuiscono significativamente alla discriminazione delle categorie dei suoni.

L’insieme dei risultati emersi da questo studio, per il cui dettaglio si rinvia al testo integrale dell’articolo originale, rivela che il metodo della classificazione multivariata per studiare la connettività funzionale fornisce un’informazione ricca e dettagliata sulla decodifica delle categorie uditive. I risultati di una decodifica uditiva efficace implicano proprietà interattive delle aree cerebrali distribuite nella rappresentazione dei suoni.

 

L’autore della nota ringrazia la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).

 

Giovanni Rossi

BM&L-03 novembre 2018

www.brainmindlife.org

 

 

 

 

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[1] L’altro contingente, che costituisce il nervo vestibolare, che poi si fonde con l’acustico formando il nervo stato-acustico (VIII paio dei nervi cranici), è costituito dalle fibre provenienti dal vestibolo e dalle ampolle dei canali semicircolari. Tali fibre fanno capo al ganglio vestibolare di Scarpa.

[2] Note e Notizie 17-06-17 Circuito nel sistema uditivo elimina i suoni autoprodotti.

[3] Ricordiamo che le vie ottiche presentano una disposizione parallela in questo tratto, con un contingente di fibre che raggiunge il tubercolo superiore della lamina quadrigemina, dal quale origina un fascio che, attraverso il braccio congiuntivo superiore, raggiunge il corpo genicolato laterale.

[4] Note e Notizie 12-05-04 L’orecchio emette suoni. Si ricorda l’ipotesi di Giuseppe Perrella, che interpreta questo fenomeno quale attività inferenziale sensoriale. Si veda anche il già citato Note e Notizie 17-06-17 Circuito nel sistema uditivo elimina i suoni autoprodotti.