Architettura delle reti del cervello di ratto
ROBERTO
COLONNA
NOTE E NOTIZIE - Anno XXI – 21 settembre
2024.
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 ricerca nella branca
della connettomica cerebrale continua a fare rapidi progressi, rendendo inadeguati
gli attuali modelli di mieloarchitettonica ispirati ai principi generali di
architettura connessionale, definiti sulla base di studi precedenti. Swanson, Hahn
e Sporns hanno analizzato la configurazione del
complesso dei collegamenti sinaptici intracerebrali del ratto, usando i metodi
della scienza delle reti.
L’analisi UCA (unsupervised cluster analysis) ha generato un modello gerarchico costituito
da moduli interconnessi o sottosistemi, allineati
più con compartimenti di sviluppo evoluzionisticamente conservati che con la
parcellizzazione dei sistemi funzionali correnti e con la categorizzazione. Le
manipolazioni computazionali focali hanno consentito: 1) di identificare le
regioni che hanno il maggiore effetto sull’organizzazione globale delle reti;
2) di rilevare i possibili fattori sottostanti questi effetti; 3) di desumere
un modello dell’influenza dei ritmi circadiani.
In
questo modello di
connettività strutturale dinamica, gli effetti delle variazioni locali nella forza di connessione tendono
ad esprimersi all’interno dei moduli,
suggerendo l’ipotesi verificabile che i cambiamenti fisiologici “normali” e i
cambiamenti anomali o patologici si diffondono preferenzialmente attraverso i
moduli.
(Larry W.
Swanson, Joel D. Hahn & Olaf Sporns,
Neural network architecture of a mammalian brain. Proceedings
of the National Academy of Sciences USA 121 (39): e2413422121, Sept. 17, 2024).
La provenienza
degli autori è la seguente: Department of Biological Sciences, University of
Southern California, Los Angeles, CA (USA); Department of Psychological and
Brain Sciences, Indiana University, Bloomington, IN (USA).
Nella tradizione dell’Anatomia Umana Normale, lo
studio dell’architettura della sostanza bianca telencefalica era parte della
morfologia macroscopica descrittiva, che trovava un suo naturale completamento
nella mieloarchitettonica istologica. Col progressivo perfezionamento delle tecniche
associate alla metodica di neuroimmagine basata sulla risonanza magnetica nucleare
funzionale (fMRI, da functional magnetic resonance imaging),
l’attenzione è stata spostata sulla definizione del complesso delle connessioni
funzionalmente attive, e sull’esplorazione della loro organizzazione
funzionale. Il costituirsi della connettomica quale branca indipendente,
ha consentito l’esplorazione di una dimensione ancora sconosciuta della
neurofisiologia del sistema nervoso centrale e, con la rilevazione di elementi
costanti tra le specie e la comprensione del valore evoluzionistico delle
variazioni, permette studi comparati su mammiferi poco evoluti (roditori),
che possono fornire nozioni utili anche per le indagini sul cervello umano.
Swanson, Hahn e Sporns hanno analizzato 106 connessioni cerebrali
documentate e confermate in studi precedenti, giungendo a definire che il
connettoma inter-regionale del cervello di ratto adulto ha di fatto 76.940
collegamenti assonici effettivi sui 623.310 possibili. Il dato è stato ottenuto
analizzando le connessioni dei fasci di fibre stabilite tra 790 regioni della
materia grigia mappate nel principale atlante di riferimento per la ricerca in
questo campo; il complesso della struttura connettomica rilevata equivale a una
densità di rete del 12.3%.
I ricercatori hanno indagato
il dimorfismo sessuale delle connessioni usando un protocollo MCC (multiresolution consensus clustering), che ha
generato una definita e circoscritta gerarchia di moduli/sotto-sistemi
interconnessi con 3 moduli del primo ordine e 157 moduli terminali nelle
femmine.
L’analisi top-down della
gerarchia suggerisce: 1) una coppia di moduli primari con immagine “a
specchio” sita nel settore rostrale del sistema nervoso centrale (proencefalo-mesencefalo)
associata al controllo del comportamento; 2) un modulo primario singolo
localizzato nel settore intermedio (rombencefalo) associato all’esecutività
comportamentale.
Le implicazioni di questi
risultati sono state studiate dai tre autori in rapporto ai processi embriogenetici
cerebrali e all’evoluzione del cervello.
L’analisi bottom-up della
gerarchia ha rivelato moduli già conosciuti e individuati in precedenza come “unità
di elaborazione”, accanto a moduli nuovi, mai riconosciuti negli studi
pregressi, delineando una realtà indagabile mediante ipotesi sperimentalmente verificabili.
L’analisi di rete globale
indica che tutti gli hub sono siti nella coppia di moduli primari
del settore rostrale, che un denso fascio di connessione si estende attraverso
tutti e tre i moduli primari e, infine, che la rete esibisce gli
attributi di small-world, ossia dell’intelligenza.
La simulazione di lesioni
di tutte le regioni (una per volta) ha consentito di definire il grado di
importanza fisiologica nell’organizzazione della rete globale. I ricercatori
hanno impiegato la via visiva proveniente dalla retina come specifico esempio,
includente gli effetti di ciclici cambiamenti di peso connessionale, dovuti al generatore
di ritmo circadiano endogeno, ossia il nucleo soprachiasmatico dell’ipotalamo
(SCN).
Nel suo insieme questo
studio delinea i principi dell’organizzazione architettonica delle reti
neuroniche inter-regionali in un cervello di mammifero e suggerisce una
strategia per creare un nuovo modello della connettività strutturale
dinamica.
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-21 settembre 2024
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