Nel cervello umano più "traffico" parallelo che in quello animale

In uno studio che ha messo a confronto le reti di comunicazione cerebrali umane con quelle dei macachi e dei topi, i ricercatori del Politecnico Federale di Losanna hanno scoperto che soltanto il cervello dell’uomo e della donna Sapiens trasmette le informazioni attraverso molteplici percorsi paralleli, fornendo nuovi spunti di riflessione sull’evoluzione dei mammiferi.
Quando descrive le reti di comunicazione cerebrale, Alessandra Griffa, ricercatrice senior post-dottorato dell’EPFL, ama peraltro usare metafore legate ai viaggi.
I segnali cerebrali sono inviati da una fonte a un bersaglio, stabilendo un percorso polisinaptico che interseca più regioni cerebrali “come una strada con molte fermate lungo il percorso”.
L’autrice spiega che sono già osservati percorsi strutturali di connettività cerebrale basati su reti (o “strade”) di fibre neuronali.

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Sinergia tra il Politecnico Federale di Losanna e il Centre Hospitalier Universitaire Vaudois

In qualità di scienziata del Medical Image Processing Lab della Scuola di Ingegneria del Politecnico Federale di Losanna e di coordinatore della ricerca presso il Centro della Memoria Leenaards del Centre Hospitalier Universitaire Vaudois, la Griffa ha voluto seguire i modelli di trasmissione delle informazioni per vedere come vengono inviati e ricevuti i messaggi.
In uno studio recentemente pubblicato su “Nature Communications”, Alessandra ha collaborato con il responsabile del MIP:Lab vodese, Dimitri Van De Ville, e con il borsista del progetto “FNS Ambizione” Enrico Amico, per creare “mappe del traffico cerebrale” che potessero essere confrontate tra gli esseri umani e gli altri mammiferi.
A tal fine, i ricercatori hanno utilizzato dati di diffusione (DWI) e di risonanza magnetica funzionale (fMRI) open source provenienti da esseri umani, macachi e topi, raccolti mentre i soggetti erano svegli e a riposo.
Le scansioni DWI hanno permesso agli scienziati di ricostruire le “mappe stradali” del cervello, mentre le scansioni fMRI hanno permesso di vedere diverse regioni cerebrali illuminarsi lungo ogni “strada”, indicando che questi percorsi stavano trasmettendo informazioni neurali.

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Dati della risonanza magnetica multimodale per le teorie dell’informazione e dei grafi

I ricercatori hanno analizzato i dati della risonanza magnetica multimodale utilizzando la teoria dell’informazione e dei grafi.
Alessandra Griffa afferma che è proprio questa nuova combinazione di metodi che ha permesso di ottenere inedite intuizioni.
“La novità del nostro studio è l’uso di dati multimodali in un unico modello che combina due branche della matematica: la teoria dei grafi, che descrive le ‘roadmap’ polisinaptiche, e la teoria dell’informazione, che mappa la trasmissione di informazioni o ‘traffico’ attraverso le strade”.
E ancora: “Il principio di base è che i messaggi trasmessi da una sorgente a una destinazione rimangono invariati o sono ulteriormente degradati a ogni fermata lungo la strada, come il gioco del telefono che facevamo da bambini”.
L’approccio dei ricercatori ha rivelato che nei cervelli non umani le informazioni venivano inviate lungo un’unica “strada”, mentre negli esseri umani esistevano più percorsi paralleli tra la stessa fonte e il bersaglio.
Inoltre, questi percorsi paralleli erano unici come le impronte digitali e potevano essere utilizzati per identificare gli individui.
“Questa elaborazione parallela nel cervello umano è ipotizzata, ma non è mai stata osservata prima a livello di cervello intero”, riassume la Griffa.

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Potenziali intuizioni per l’evoluzione, la medicina e le neuroscienze computazionali

Alessandra afferma che la bellezza del modello usato dai ricercatori è la sua semplicità e l’ispirazione di nuove prospettive e strade di ricerca nell’evoluzione e nelle neuroscienze computazionali.
Per esempio, i risultati possono essere collegati all’espansione del volume del cervello umano nel corso del tempo, che ha dato origine a modelli di connettività più complessi.
“Potremmo ipotizzare che questi flussi di informazioni paralleli permettano rappresentazioni multiple della realtà e la capacità di eseguire funzioni astratte specifiche dell’uomo”.
L’autrice aggiunge che, sebbene questa ipotesi sia soltanto speculativa, dato che lo studio di “Nature Communications” non ha comportato alcun test sulle capacità computazionali o cognitive dei soggetti, si tratta di domande che vorrebbe esplorare in futuro.

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“Come le informazioni sono combinate e poi elaborate per creare qualcosa di nuovo”

“Abbiamo esaminato come viaggiano le informazioni, quindi un prossimo passo interessante sarebbe quello di modellare processi più complessi per studiare come le informazioni sono combinate ed elaborate nel cervello per creare qualcosa di nuovo”.
In qualità di ricercatrice sulla memoria e sulla cognizione, è particolarmente interessata a utilizzare il modello sviluppato nello studio per indagare se la trasmissione parallela delle informazioni possa conferire resilienza alle reti cerebrali.
Potenzialmente, essa potrebbe svolgere un ruolo nella neuroriabilitazione dopo una lesione cerebrale, o nella prevenzione del declino cognitivo nelle patologie dell’età avanzata.
“Alcune persone invecchiano in modo sano, mentre altre subiscono un declino cognitivo. Vorremmo vedere se esiste una relazione tra questa differenza e la presenza di flussi di informazione paralleli, e se questi potrebbero essere addestrati per compensare i processi neurodegenerativi”.

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