La corteccia cerebrale del neonato rivela gli schemi di conformazione
GIOVANNI ROSSI
NOTE E NOTIZIE - Anno XVI – 26 gennaio 2019.
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: AGGIORNAMENTO]
La
configurazione altamente convoluta della corteccia cerebrale umana è
straordinariamente complessa e, sebbene dia luogo ad aspetti costanti nella
morfologia delle circonvoluzioni, presenta una notevole variabilità
individuale. La conoscenza degli schemi di ripiegamento (folding patterns), oltre ad avere importanza per la comprensione
della dinamica evolutiva che porta alla conformazione esterna degli emisferi, è
di grande utilità per l’interpretazione degli studi di neuroimmagine cerebrale.
Al termine dello sviluppo fetale, alla nascita, sono già definiti solchi e
circonvoluzioni principali, e la configurazione è minimamente interessata da
complicati ambienti post-natali, per tali ragioni i neonati sono i candidati
ideali per l’indagine sui pattern
precoci di ripiegamento post-natale della corteccia, anche se finora tali
schemi sono rimasti in gran parte inesplorati.
Duan e
colleghi propongono un nuovo metodo per indagare le forme costanti assunte dal
disegno delle pieghe corticali che creano la caratterizzazione regionale della
superficie emisferica dei lattanti.
(Duan D., et al., Exploring folding
patterns of infant cerebral cortex based on multi-view curvature features:
Methods and applications. Neuroimage 185: 575-592, Jan. 15, 2019).
La provenienza degli autori è la seguente: Key Laboratory
of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University (Cina);
Department of Radiology and BRIC, University of North Carolina at Chapel Hill (USA);
Department of Psychiatry, University of North Carolina at Chapel Hill (USA);
BASIRA Lab, CVIP, Computing, School of Science and Engineering, University of
Dundee (Regno Unito).
Nell’embriogenesi
cerebrale, in generale, la migrazione e la differenziazione delle cellule
progenitrici neurali che formeranno i nuclei è minima o limitata all’interno
del tronco encefalico, così come accade nel midollo spinale. Al contrario, la
proliferazione e la migrazione dei neuroblasti in corrispondenza degli emisferi
per la formazione della corteccia
cerebrale è un fenomeno imponente, che sovverte la regola generale del
sistema nervoso centrale, consistente nell’avere le aggregazioni grigie di
pirenofori all’interno e la sostanza bianca all’esterno, e produce uno strato superficiale di materia grigia che avvolge come un
mantello le strutture mieliniche telencefaliche e il diencefalo.
Da decenni
si indaga questo processo, da quando Rakic dimostrò per la prima volta (1971)
la migrazione dei neuroblasti lungo i “fili” della glia radiale, e la mole dei
dati accumulati è tale da costituire materia per un settore di studio
specializzato. Nonostante i progressi compiuti nella conoscenza dei meccanismi
cellulari e molecolari degli eventi che portano alla formazione della
corteccia, per quanto riguarda i problemi generali di morfogenesi macroscopica,
inclusa la genesi di schemi di circonflessione dei giri, siamo sostanzialmente
fermi al nostro aggiornamento di dieci anni fa, dal quale traiamo alcuni brani
introduttivi:
“Fin dall’antichità la superficie del cervello
ha attratto l’attenzione per il suo aspetto complesso dovuto al ripiegamento
non casuale della parte più esterna della sua struttura: il manto corticale o
corteccia cerebrale. Alcune intuizioni sulle sue funzioni si possono reperire
già nel cosiddetto “Papiro Chirurgico di Edwin Smith” databile intorno al
Ben presto
si è compreso che il complesso disegno caratterizzato da sporgenze e rientranze
è dovuto alla costrizione nello spazio del neurocranio di un tessuto
specializzato che, qualora fosse disteso, occuperebbe una superficie tre volte
più grande di quella di cui dispone; tuttavia fino ad oggi gli eventi causali
che determinano il formarsi delle circonvoluzioni sono rimasti ignoti.
In
termini evoluzionistici sembra che il ripiegamento sia stata la conseguenza
obbligata di un’espansione rapida e di gran lunga eccedente la possibilità di
incremento di volume della scatola cranica. Ricordiamo che il biologo J. B. S.
Haldane per primo notò che lo straordinario incremento di dimensioni del
cervello umano è la più rapida trasformazione evolutiva conosciuta. Infatti, l’evoluzione
da Australopithecus a Homo habilis e quella da Homo habilis a Homo sapiens, si stima che siano avvenute in un arco di tempo che
va da 1 milione a 1 milione e 250.000 anni, ossia da
Gli studi
di anatomia descrittiva del passato avevano riconosciuto e caratterizzato delle
costanti morfologiche che hanno suggerito ai ricercatori dei nostri giorni
un’importante traccia: il ripiegamento non è casuale, ma forma un disegno
globalmente definito derivante da necessità biologiche e vincoli comuni. Se
questa configurazione è progressivamente divenuta programma genetico, ciò non
deve portarci a sottovalutare il ruolo delle componenti epigenetiche nel corso
dell’evoluzione.
Recenti
scoperte hanno dimostrato che la tensione meccanica fra neuroni crea le
condizioni perché alcune parti siano attratte verso la profondità ed altre
spinte a sollevarsi verso l’alto. È anche emerso che una rete di fibre nervose
esercita una trazione sulla plastica struttura del manto corticale in formazione
durante l’embriogenesi, di fatto determinandone la iniziale plicatura. Sembra
che questa stessa rete, nel corso della vita, assicuri il mantenimento della
configurazione definitiva e si ritiene che alterazioni di questo network strutturale, sia per alterazioni
dello sviluppo che per disturbi acquisiti nell’età adulta, possano avere
conseguenze sulla forma del cervello e sulla comunicazione fra le cellule.
La conoscenza
dei processi che determinano la morfogenesi macroscopica del manto corticale
non si limita a soddisfare una pura curiosità anatomica, ma promette di fornire
strumenti utili per la comprensione di alcuni aspetti di patologie quali
l’autismo e gli altri disturbi pervasivi dello sviluppo.”[3]
Dallo
stesso aggiornamento si estrae una parte ancora attuale sui rapporti tra
caratteri morfologici macroscopici della corteccia e psicopatologia,
conservando la veste editoriale originale per paragrafo e sotto-paragrafi:
“Simulazioni al computer suggeriscono che le
conseguenze dell’azione meccanica del ripiegamento sulla morfologia
microscopica hanno anche ripercussioni sulle funzioni delle singole cellule.
Infatti, poiché lo spessore corticale è maggiore nelle circonvoluzioni rispetto
ai solchi, i dendriti dei neuroni della profondità dei giri costituiscono, per
il segnale in entrata, percorsi fino al corpo cellulare molto più lunghi di
quelli delle ramificazioni riceventi delle cellule nervose del fondo dei
solchi, dove la corteccia è più sottile. La differente estensione del percorso
si riflette verosimilmente in una differenza temporale dendriti/soma che
dovrebbe condizionare i tempi di scarica secondo un profilo topografico[4].
Questa ed
altre differenze desunte dal modello, dovranno essere sottoposte a verifica
sperimentale, registrando l’attività elettrica di singoli neuroni corticali nei
territori-campione (sommità delle circonvoluzioni, fondo dei solchi, montanti
dei giri, ecc.) e confrontando i risultati di cellule nervose omologhe,
conformate diversamente per la loro sede[5].
Nel
complesso, questi studi relativi all’influenza delle connessioni sulla
morfologia e le funzioni corticali, hanno fornito nuovi elementi alla ricerca
sui rapporti fra struttura cerebrale e manifestazioni di patologia, quali le
psicosi schizofreniche e l’autismo.
5. UN
LEGAME CON
Poiché è
stata più volte rilevata l’esistenza di chiare differenze nel disegno della
superficie corticale fra persone normodotate e persone affette da disturbi
psichici che si fanno risalire allo sviluppo, si è ipotizzato che la perdita
del fisiologico rapporto meccanico fra connessioni e circonvoluzioni, possa
avere un ruolo patogenetico.
5.1. Schizofrenia
e psicosi correlate. La ricerca che esplora questo legame potenziale è
ancora nelle sue fasi iniziali, ma un elemento comune è emerso dal lavoro di
numerosi gruppi di ricerca in questi ultimi anni: nel suo complesso, il
cervello di pazienti diagnosticati di schizofrenia, presenta un numero minore
di circonvoluzioni di quello delle persone non affette. L’interpretazione di
questo dato rimane però controversa, perché le presunte aberrazioni
morfologiche che giustificherebbero un legame fra struttura e funzione
alterata, variano enormemente da caso a caso. Ad oggi, sembra si possa
escludere l’esistenza di un’alterazione corticale patognomonica della
schizofrenia, ma anche l’esistenza di segni diacritici certi[7]. Con
certezza si può solo affermare che il cervello degli schizofrenici differisce
dal prototipo in cui rientrano tutti i cervelli delle persone normodotate.
Al
livello microscopico, lo studio delle differenze nelle caratteristiche e nella
composizione cellulare degli strati corticali non deve essere sottovalutato,
anche se il miglior antecedente di questo genere di correlazioni non riguarda
un disturbo psichiatrico, ma una disabilità dell’apprendimento, quale la dislessia. Negli anni Settanta, infatti,
il neurologo Albert Galaburda della Harvard Medical School rilevò che i neuroni
piramidali, ossia le cellule costituenti il principale sistema di comunicazione
della corteccia, nei dislessici risultavano spostati dalla sede che normalmente
occupano nelle lamine corticali, proprio in corrispondenza di aree legate al
controllo del linguaggio e della funzione uditiva.
L’identificazione
di un profilo di alterazione citoarchitettonica della schizofrenia non sembra
facile, tuttavia nel cervello degli schizofrenici sono già state documentate
delle aberrazioni nella densità neuronica degli strati corticali di vari
territori del lobo frontale.
Si può
ipotizzare che l’alterata distribuzione dei neuroni corticali precluda lo
sviluppo del normale pattern di
connessioni e, in tal modo, preceda e condizioni la formazione delle sinapsi
anomale ritenute la principale origine delle manifestazioni sintomatologiche.
5.2. Il
Disturbo Autistico. Il disturbo pervasivo dello sviluppo, spesso definito
autismo o autismo infantile, è stato messo da tempo in rapporto con alterazioni
delle circonvoluzioni cerebrali. In particolare, nel cervello di coloro che ne
sono affetti, alcuni solchi appaiono più profondi e il loro disegno si
discosta, sia pur lievemente, da quello fisiologico (Note e Notizie 14-10-03 Autismo: mappa in 3D dei solchi corticali
realizzata per la prima volta). Proprio queste evidenze hanno supportato il
progressivo affermarsi di una visione nuova della patogenesi di questa sindrome
che, attualmente, è considerata il risultato di un’alterazione delle principali
connessioni strutturali. Numerosi studi funzionali del cervello autistico hanno
infatti dimostrato una riduzione della comunicazione fra aree distanti ed
un’accentuazione dei collegamenti funzionali fra aree prossime.
Questo
filone di ricerca ci sembra importante, soprattutto perché ci ricorda che
un’alterazione psichica è sempre una disfunzione dei sistemi neuronici, anche
se la ricerca molecolare delle cause e lo studio farmacologico dei trattamenti,
porta spesso a descrivere e persino a concepire i disturbi mentali come
semplici squilibri neurochimici[8].”[9].
Dopo
questi due lunghi estratti, che si spera abbiano contribuito ad introdurre
anche il lettore non specialista, riprendiamo la recensione del lavoro che, con
la sua procedura originale, promette un’accelerazione degli studi volti a
riconoscere paradigmi morfologici alla base della configurazione regionale
caratteristica delle circonvoluzioni, già nelle prime fasi della vita.
In
sintesi, si può descrivere il nuovo metodo di Duan e colleghi come una
procedura sviluppata in quattro fasi:
1)
per caratterizzare comprensivamente i complessi tratti del ripiegamento
strutturale che conferisce dimensioni, forma e numero alle circonvoluzioni,
sono stati costruiti elementi della curvatura multi-view;
2)
per ciascuna “vista” degli elementi della curvatura è stata computata una
matrice di similarità, al fine di misurare la somiglianza della configurazione
corticale di una specifica regione fra coppie di soggetti;
3)
è stato adoperato un metodo di similarità
per fusione di reti, per fondere non linearmente e “adattativamente” tutte
le matrici di similarità in una matrice
unica per ritenere informazioni simili – sia in quanto condivise, sia in
quanto complementari – circa le caratteristiche multiple della configurazione
delle pieghe;
4)
infine, basandosi sulla matrice fusa di similarità e su un approccio di
raggruppamento per affinità gerarchiche di propagazione, tutti i soggetti sono
stati automaticamente raggruppati in vari blocchi per ottenere gli schemi di
ripiegamento rappresentativi.
Per
mettere alla prova il metodo, i ricercatori hanno applicato la procedura allo
studio di un dataset di grande scala
ottenuto da 595 neonati normali. In tal modo hanno scoperto schemi
rappresentativi in varie regioni corticali, quali, ad esempio, il giro temporale superiore (STG), il giro frontale inferiore (IFG), il precuneo e la corteccia del giro del cingolo. Lo studio ha anche consentito ai
ricercatori di rilevare differenze sessuali negli stessi STG e IFG, così come
nella corteccia del giro del cingolo; e ha permesso di scoprire asimmetrie
emisferiche in termini di schemi di disegno delle pieghe corticali in STG e
corteccia cingolata.
Dopo
questo lavoro, Duan e colleghi hanno validato il loro metodo, cimentandolo con
il maggiore set pubblico di dati morfologici sul cervello adulto, ossia lo Human Connectome Project (HCP),
rilevando che alcuni fra i principali schemi di configurazione delle
circonvoluzioni dell’età matura sono già presenti all’epoca della nascita.
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-26 gennaio
2019
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Nazionale di Neuroscienze BM&L-Italia, affiliata alla International Society
of Neuroscience, è registrata presso l’Agenzia delle Entrate di Firenze,
Ufficio Firenze 1, in data 16 gennaio 2003 con codice fiscale 94098840484, come
organizzazione scientifica e culturale non-profit.
[1] Haldane J. B. S., On being the right size. Oxford University Press, London 1986.
Attualmente altri studiosi di paleoantropologia hanno proposto stime numeriche diverse, ma la sostanza rimane la stessa.
[2] Vogliamo solo di passaggio fare riferimento a tesi avanzate negli ultimi vent’anni da Peter Wheeler in Gran Bretagna, Konrad Fialkowski in Polonia e Dean Falk negli USA, secondo i quali l’assunzione della stazione eretta, modificando la risposta allo stress da calore solare, avrebbe creato condizioni nel flusso ematico in grado di fare aumentare i neuroni della corteccia che, espansa, sarebbe riuscita a disperdere il calore (fatale per neuroni e glia) agendo da radiatore cerebrale. Accolta inizialmente come una delle tante trovate “eccentriche” in cui ci si imbatte in questo campo, l’ipotesi, suffragata da numerosi studi, è attualmente accettata da molti. L’aumento di neuroni -per questa necessità di adattamento- nella struttura preposta al livello più alto di controllo avrebbe poi facilitato lo sviluppo delle funzioni psichiche umane.
[3]
Note e Notizie 21-02-09 LA CORTECCIA
CEREBRALE – Origini e conseguenze della sua configurazione. (Prima Parte).
[4] Si veda p. 59 di Hilgetag C. C. & Helen Barbas, Sculpting the Brain, Scientific American 300 (2), 56-61, 2009; e l’articolo del 2006 su PLoS
[5] Uno studio neurofisiologico di questo genere non è stato ancora compiuto e, a conoscenza di Hilgetag, Barbas e di chi scrive, non è attualmente in corso in alcuno dei laboratori più noti.
[6] Nel 1825 un famoso anatomista, Franz Joseph Gall, pubblicò la sua teoria degli organi mentali che chiamò Organologia – poi ribattezzata frenologia da Johan Kasper Spurzheim – nella quale si postulava la ripartizione del cervello in un certo numero di organi mentali indipendenti, che corrispondevano ad istinti e facoltà, quali l’istinto di riproduzione, l’amore per la propria progenie, il senso del linguaggio, il gusto per le risse e i combattimenti, ecc. (Vedi “Alfred Binet e l’eredità di Gall”, relazione su neurobiologia e neuropsicologia del senso dei numeri, tenuta al “Cognitive Science Club” il 22 settembre 2002, e rielaborata per il “Seminario sul senso dei numeri” della Società Nazionale di Neuroscienze BM&L-Italia nel marzo 2003. Il testo è a disposizione dei soci per la consultazione).
[7] Questo dato sembra concordare con l’insegnamento della nostra scuola che, facendo propria una tesi sostenuta da Giuseppe Perrella già tre decenni or sono, ha spostato l’attenzione sull’organizzazione funzionale microscopica del cervello degli psicotici. In particolare, si ritiene che le alterazioni strutturali e funzionali delle psicosi non secondarie, vadano ricercate prevalentemente nel disegno generale delle connessioni, al livello delle sinapsi e nelle funzioni dei singoli sottosistemi, studiando le anomalie cellulari e molecolari. Un altro aspetto importante del rapporto fra dato anatomo-patologico ed espressione clinica delle psicosi è dato dalla costante osservazione di manifestazioni dello stesso tipo per condizioni cerebrali diverse. Fin dagli anni Ottanta il nostro attuale presidente ha sottolineato la caratteristica dei quadri di patologia psicotica di presentarsi come stereotipi disfunzionali, primitivi o secondari; in proposito si pensi ai casi descritti da Silvano Arieti, come quello del paziente schizofrenico che all’autopsia rivelò un grande glioma del lobo frontale. Cause diverse possono determinare identici quadri psicotici; questo aspetto è una traccia per indagare su una sorta di “reazione globale” del “sistema encefalo” che, quando va oltre un certo grado di gestibilità delle sottocomponenti alterate, si scompensa secondo stereotipi fisiopatologici, che danno luogo alle varie espressioni cliniche caratteristiche delle psicosi.
[8] In molte trattazioni divulgative, ma anche in alcune sintetiche descrizioni concepite per fini didattici, sembra quasi che le alterazioni di recettori e trasmettitori non avvengano nel sistema più complesso che si conosca in natura, ma in un vaso di soluzioni in equilibrio chimico.
[9] Note e Notizie 28-03-09 LA CORTECCIA CEREBRALE – Origini e conseguenze della sua configurazione. (Sesta Parte).