Come le grandi reti cerebrali elaborano informazione e causano disturbi
NICOLE CARDON
NOTE
E NOTIZIE - Anno XI – 23 novembre 2013.
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 rientra negli
oggetti di studio dei soci componenti lo staff
dei recensori della Commissione
Scientifica della Società.
[Tipologia del testo:
RECENSIONE]
Presa da sola una cellula nervosa del cervello, fosse anche un neurone piramidale degli strati neocorticali associati alla coscienza, non è intelligente. Almeno, non nel senso che comunemente si attribuisce a questa parola nell’esperienza umana. Eppure, un insieme di reti di neuroni è alla base dell’intelletto, del pensiero, dei sentimenti, degli affetti, delle percezioni, della memoria, dell’apprendimento e di tutto quell’insieme che principalmente ci costituisce come individui e come soggetti, nell’identità e nel funzionamento, e che chiamiamo mente o psiche.
È dunque lecito supporre che le qualità psichiche dei processi cerebrali siano da ricercare al livello delle reti neuroniche e che, studiando i fenomeni connessi con l’interazione fra reti e all’interno di una rete, si possano individuare i processi che consentono l’emergere della cognizione, dei sentimenti e della coscienza umana.
Questa è la ragione fondamentale che ha motivato lo studio della fisiologia dei grandi circuiti e delle maggiori vie di connessione cerebrale, mediante modelli di simulazione che consentissero di evincere delle regole matematiche da inferire nella realtà biologica cerebrale, ancora troppo complessa e sconosciuta per essere indagata direttamente a questo livello funzionale.
Nacquero così i primi prototipi di reti neurali, per la maggior parte riconducibili a due modelli particolarmente influenti: il perceptron e la cell assembly[1].
L’impiego di questi strumenti di simulazione, oggi sempre più sofisticati, prosegue anche se ha deluso le aspettative che aveva fatto nutrire a molti, circa mezzo secolo fa. Oggi è chiaro che prescindere dalle regole di funzionamento molecolare e cellulare, espone al rischio di realizzare modelli artificiali in grado sì di svolgere funzioni del nostro cervello, ma in un modo diverso nella sostanza e, pertanto, non rilevante per la comprensione della realtà naturale.
Lo studio in vivo sull’uomo dei principali sistemi neuronici implicati nelle attività psichiche, si sta avvalendo in questi anni recenti di metodiche e tecniche che hanno consentito un rapido progresso nella definizione di ruoli funzionali in passato nemmeno ipotizzati. La possibilità di interferire, stimolando o inibendo singoli circuiti neuronici, o parti selezionate in base ad ipotetici ruoli, in corso di visualizzazione dell’attività encefalica mediante fMRI (functional magnetic resonance imaging), ha determinato un’accelerazione delle conoscenze e l’emergere di elementi a sostegno di nuove nozioni.
Attualmente
si ritiene che tre reti neuroniche
di grande scala giochino ruoli importanti nell’elaborazione dell’informazione
cognitiva ed emotiva nel nostro cervello. Combinando stimolazione magnetica
transcranica (TMS, da transcranial magnetic stimulation) ed
fMRI, Ashley C. Chen e colleghi hanno accertato alcuni aspetti importanti della
fisiologia del rapporto fra queste tre grandi reti neuroniche, fornendo una
traccia per la comprensione di come l’alterazione di tali relazioni funzionali
possa causare disturbi mentali (Chen A.
C., et al. Causal interactions between fronto-parietal
central executive and default-mode networks in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences USA [Epub ahead of
print doi:10.1073/pnas.1311772110], 2013).
La provenienza degli autori è la
seguente: Departments of Psychiatry and Behavioral Sciences, Electric
Engineering, Radiology and Bioengineering, Stanford University, Stanford,
California (USA); Sierra-Pacific Mental Illness Research, Education and
Clinical Center, Veterans Affairs Palo Alto Health Care System, Palo Alto, California
(USA); Department of Biomedical Engineering, Tsinghua University, Beijing
(Cina); Howard Hughes Medical Institute, Stanford University, Stanford,
California (USA); Advanced MRI section, Laboratory of Functional and Molecular
Imaging, National Institute of Neurological Disorders and Stroke, National Institutes
of Health (NIH), Bethesda, Maryland (USA).
La maggior parte dei ricercatori che indaga le funzioni dei sistemi cerebrali alla base delle funzioni psichiche concorda nel ritenere che l’elaborazione dell’informazione durante le operazioni cognitive e le risposte emotive, richiede un dinamico intergioco di varie reti neurali di grande scala, che sicuramente includono il sistema esecutivo centrale fronto-parietale (CEN, da central executive network), il sistema cingulo-opercolare della rilevanza o salienza (SN, da salience network) e il sistema prefrontale mediale/parietale mediale per la modalità di default (DMN, default mode network)[2]. È stato teorizzato che esiste un meccanismo neurale causale mediante il quale CEN/SN regolano negativamente la DMN. Vari studi di neuroimmagine hanno dimostrato correlazioni a supporto di questa teoria; tuttavia, non sono state prodotte evidenze sperimentali dirette dell’esistenza di un tale meccanismo. Ashley Chen e colleghi hanno realizzato un progetto sperimentale finalizzato alla verifica diretta dell’esistenza del meccanismo.
A questo scopo, i ricercatori hanno combinato la TMS con la MRI funzionale per determinare causalmente (come causa) l’eccitazione o l’inibizione dei nodi prefrontali accessibili alla TMS del sistema CEN o del sistema SN, determinando poi le conseguenze in termini di effetti sulle funzioni della DMN.
Chen e colleghi hanno prima sperimentato l’effetto di stimolazioni eccitatorie a singolo impulso. Tale stimolo, rilasciato esclusivamente al nodo accessibile della rete CEN, determinava una connettività negativa della rete DMN con i entrambi i sistemi, CEN ed SN, fornendo un dato coerente con quanto postulato dalla teoria che vuole CEN/SN funzionalmente associate nel regolare negativamente DMN.
Dopo la sperimentazione dell’eccitazione a singolo impulso, i ricercatori hanno sottoposto a verifica una TMS ripetitiva, inibitoria, di bassa frequenza, rilasciata sul nodo accessibile del sistema CEN. La conseguenza è stata il verificarsi di uno shift del segnale della rete di default, dal suo normale raggio limitato entro valori di bassa frequenza, ad una frequenza notevolmente elevata. Un dato che può solo interpretarsi come disinibizione, ovvero sviluppo di un’attività eccitatoria complessiva dei neuroni costituenti la DMN. L’osservazione ha anche consentito di notare che il nodo della CEN mostrava questa relazione causale di regolazione primariamente sulla porzione prefrontale mediale della DMN.
In sintesi, secondo l’opinione corrente, tre reti o sistemi neuronici di grande scala sarebbero i più diretti responsabili dell’elaborazione alla base di tutta l’attività mentale del nostro cervello, dalla computazione cognitiva agli stati affettivi e alle reazioni emozionali: il centrale esecutivo, quello della salienza e quello di default. Secondo una visione teorica, sostenuta da studi di correlazione, i primi due sistemi agirebbero modulando il terzo, considerato come un circuito esecutivo dipendente dai primi due, al di fuori delle circostanze ordinarie in cui è impegnato nell’assicurare una passiva attività di routine. Eccitando o inibendo, nel cervello umano in funzione, nodi sensibili ed accessibili delle prime due reti, mediante una tecnica non invasiva, i ricercatori hanno rilevato e dimostrato che il terzo sistema, ossia quello di default, è sotto il controllo inibitorio specifico di un nodo del primo sistema, ossia quello esecutivo centrale.
Possiamo condividere la fiera affermazione degli autori, secondo i quali i risultati del loro studio fanno progredire significativamente le nostre conoscenze e la nostra comprensione dei meccanismi causali mediante i quali le principali reti neuroniche del cervello fisiologicamente coordinano l’elaborazione dell’informazione.
In conclusione, si può osservare che la ricerca sui meccanismi fisiopatologici e sulla patogenesi di molti sintomi dei principali disturbi psichiatrici ha rivelato da tempo difetti nella regolazione dell’elaborazione dell’informazione, pertanto è lecito ipotizzare che il meccanismo individuato da Chen e colleghi possa costituire il fondamento per nuovi e più precisi studi sulle forme di de-regolazione dei grandi sistemi cerebrali alla base della patologia psichiatrica. Inoltre, ipotizzando che le altre alterazioni, di livello molecolare e cellulare, abbiano un rilievo trascurabile in molti casi, si può sperare che la TMS divenga uno strumento terapeutico nella psichiatria del prossimo futuro.
L’autrice della nota, che
ringrazia il Presidente della Società Nazionale di Neuroscienze con il quale ha
discusso l’argomento trattato e la dottoressa Isabella Floriani per la
correzione della bozza, invita alla lettura delle recensioni di lavori di
argomento connesso che appaiono sul sito (utilizzare il motore interno nella
pagina “CERCA”).
[1] Rassegne storiche e dettagliate illustrazioni del modo di funzionare dei modelli di reti neurali, dal Perceptron di Minsky al Neocognitron, al LeNet, e così via, anche nella loro sostanziale differenza dagli automi di Edelman (Darwin I-IV, Nomad, ecc.) sono state proposte nelle relazioni tenute dal nostro presidente in collaborazione con Giovanni Rossi, Diane Richmond e Roberto Colonna, in occasione degli incontri con i gruppi di studio della Società, dedicati a questo argomento. Una breve rassegna centrata su due soli modelli costituisce l’argomento dell’Appendice E, alle pagine 1581-1600 (Neural Networks) dei Principles of Neural Science (Kandel, Schwartz, Jessel, Siegelbaum, Hudspeth), McGrawHill Medical, 2013.
[2] La rete di default, ritenuta un tempo esclusiva della nostra specie, è stata poi descritta nella scimmia (Cfr. Diane Richmond, Tre reti per processi mentali di base nella scimmia, in “Note e Notizie” 16-06-2007).