Vincoli geometrici alla funzione del
cervello umano
ROBERTO
COLONNA
NOTE E NOTIZIE - Anno XX – 10 giugno
2023.
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]
Nell’evoluzione del rapporto tra neuroanatomia e
neurofisiologia, ossia dell’attribuzione di ruoli funzionali a strutture
morfologiche, si può riassumere oltre un secolo di cultura neuroscientifica, dall’epoca
delle localizzazioni anatomo-cliniche alla connettività dinamica di reti
interagenti. Col progredire delle conoscenze, i vecchi paradigmi sono stati
rimodulati, attraverso la ridefinizione dei limiti, ma non del tutto
abbandonati, come nel caso della somatotopica corticale espressa dagli omuncoli
motorio e sensitivo disposti lungo le circonvoluzioni precentrale e
post-centrale, e di cui ci siamo occupati di recente (Note e Notizie 29-04-23
Come si aggiorna il vecchio omuncolo corticale; Note e Notizie 27-05-23 Area
motoria scoperta nel solco centrale).
A differenza di quanto è accaduto nella storia, dominata
da concezioni opposte e totalizzanti quali quelle relative alle basi della
memoria, negli anni recenti la consapevolezza di una complessità che non si
presta a semplificazioni schematiche è presente in tutti i ricercatori, e oggi
nessuno spera più come Roger Sperry di ritrovare nell’organizzazione del cervello
il filo di una logica senso-motoria di semplice connessione “punto a punto”. È
ben presente a tutti, ad esempio, che le colonne di dominanza corticale sono
attraversate dalla specializzazione degli strati della corteccia con
dispositivi sinaptici che seguono principi identici in tutto il cervello, ma
realizzano interazioni dinamiche che variano area per area, con un contributo
gliale che differisce in base a criteri propri e distinti da quelli neuronici,
in un insieme di insiemi che può presentare tanti aspetti diversi. Oggi si
indagano i rapporti tra morfologia e funzione sapendo che la corteccia, ad
esempio, è frammentata in una miriade di piccole unità superspecializzate che,
allo stesso tempo, grazie al rientro simultaneo reciproco e completo tra aree
contigue, realizza un unico insieme.
Ma, per proseguire nel lungo e difficile cammino
della comprensione dei rapporti tra morfologia e funzione, è necessario
continuare a indagare le ragioni biologiche della forma che, ai due estremi di
una gamma di cause, vanno dai caratteri fisico-chimici delle specie molecolari
in questione ai limiti imposti da effetti di processi evolutivi: la rapida
espansione della corteccia nella filogenesi, con lo sviluppo più rapido nel
tempo e nello spazio del tessuto nervoso e gliale della corteccia cerebrale
rispetto al neurocranio, ha determinato lo sviluppo delle circonvoluzioni
cerebrali, quale esito della compressione in uno spazio limitato.
Negli anni recenti, focalizzando lo studio sulle
reti cerebrali, accantonando il riferimento ai complessi di nuclei, aree e
altre strutture dell’anatomia descrittiva si sono fatti strada modi nuovi di
studiare il rapporto tra morfologia e funzione. Il paradigma dominante nelle
neuroscienze interpreta le dinamiche neuroniche quali conseguenze di
interazioni fra popolazioni cellulari definite e funzionalmente specializzate,
connesse da complessi sistemi di fibre assoniche. Ma, previsioni della teoria
del campo neurale, un riconosciuto schema matematico per realizzare modelli
in grande scala dell’attività del cervello, suggeriscono che la geometria del
cervello costituisca un vincolo “più fondamentale” per la dinamica di quanto
non lo sia la connettività interregionale complessa.
Su questa base, James C. Pang e colleghi hanno
condotto uno studio dai risultati molto significativi.
(Pang
J. C. et al., Geometric constraints on human brain function. Nature – Epub ahead
of print doi: 10.1038/s41586-023-06098-1,
2023).
La provenienza degli autori è la seguente: Department of Neurology, University Medical Center
Hamburg-Eppendorf, Hamburg (Germania); Department of Cardiology, University
Heart and Vascular Center, Hamburg (Germania); Department of Psychiatry and
Psychotherapy, University Medical Center Hamburg-Eppendorf, Hamburg (Germania);
Department of Neuroradiology, University Medical Center Hamburg-Eppendorf,
Hamburg (Germania); Department of Psychiatry, Brigham and Women’s Hospital,
Harvard Medical School, Boston, MA (USA); Institute of Neuropathology, University
Center Hamburg-Eppendorf, Hamburg (Germania); Department of Radiology, Brigham
and Women’s Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA (USA).
Il lavoro di James C. Pang e colleghi ha confermato
le previsioni della teoria del campo neurale mediante l’analisi di una
grande quantità di dati di imaging in risonanza magnetica nucleare (MRI,
da magnetic resonance
imaging), ottenuti con lo studio in condizioni spontanee o durante l’esecuzione
di compiti sperimentali che hanno indotto l’evocazione di specifici pattern
funzionali. In particolare, i ricercatori dimostrano a rigor di logica che l’attività
corticale e subcorticale può essere compresa quale risultante di eccitazioni di
modi risonanti fondamentali della geometria del cervello (cioè della sua forma),
piuttosto che essere considerata derivante da modi della connettività
inter-regionale complessa, secondo la visione convenzionale.
James C. Pang e colleghi hanno usato questi “modi
geometrici” per dimostrare che le attivazioni evocate da compito in oltre
10.000 mappe del cervello non sono confinate ad aree focali, come in genere si
crede, ma eccitano modi estesi a tutto l’encefalo con una lunghezza delle onde superiore
ai 60 mm.
I ricercatori hanno anche confermato le previsioni
che lo stretto legame tra geometria e funzione è spiegato da un ruolo dominante
dell’attività wave-like, dimostrando che le
dinamiche d’onda possono riprodurre numerose proprietà canoniche
spaziotemporali di registrazioni spontanee ed evocate.
Gli esiti di questo lavoro sembrano essere in
contrasto con la visione prevalente nelle neuroscienze e identificano un ruolo
in precedenza sottostimato della geometria nel dar forma alla fisiologia, come
previsto da un modello unificante e basato su principi fisici delle dinamiche
estese all’intero encefalo. A nostro avviso sarà necessario, con ulteriori
studi, cercare di definire con maggiore precisione cosa si rileva e si misura,
in termini di attività cerebrale, seguendo il criterio geometrico.
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”).
Roberto Colonna
BM&L-10 giugno 2023
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