Identificare meccanismi cerebrali
tipici di una persona
DIANE
RICHMOND
NOTE E NOTIZIE - Anno XXII – 25 gennaio
2025.
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]
Originariamente lo studio elettrofisiologico della corteccia cerebrale
mediante l’elettroencefalogramma (EEG) era stato concepito per esplorare e
rilevare attività elettriche anomale quali segni di patologia, particolarmente
in rapporto all’attività alfa, un ritmo a prevalenza posteriore di 9-13 cicli
per secondo, che riflette l’attività cerebrale nel soggetto in stato di passiva
quiescenza a occhi chiusi. Poi l’EEG, insieme con altri metodi e tecniche di
rilevazione dell’attività elettrica, è divenuto il più efficace mezzo di studio
della neurofisiologia cerebrale umana e, per alcuni decenni, virtualmente l’unico
strumento per indagare processi cerebrali in corso, contribuendo a definire
stadi e fasi del sonno (REM, NREM) e caratteri della veglia. L’introduzione
delle metodiche di neuroimaging funzionale ha grandemente ridotto
l’importanza per la ricerca di questo strumento che, in ogni caso, è stato
impiegato, anche nelle sue versioni poligrafiche più recenti, sempre in
rapporto a modelli medi. La possibilità di impiegare le peculiarità individuali
per definire meccanismi funzionali distintivi di una singola persona era sempre
stata esclusa in passato, e solo di recente è diventata oggetto di attenzione
sperimentale.
In condizioni di riposo l’attività del cervello converge su pattern temporali
specifici di una persona; i contrassegni elettrofisiologici di queste dinamiche,
quali la sincronizzazione e lo spectral-power,
predicono le abilità cognitive ma, al livello della persona quale specifico
individuo, è risultato difficile mapparle su modelli biologici del cervello a
causa dei numerosi parametri del modello implicati. Tali modelli hanno
importanza critica per legare i processi biologici agli esiti delle dinamiche e
per i fini della medicina personalizzata.
Mattew F. Singh e colleghi hanno sviluppato e rigorosamente validato un
approccio guidato dai dati per stimare direttamente modelli cerebrali
individualizzati, contenenti centinaia di popolazioni neuroniche e migliaia
di parametri modello per la registrazione non invasiva dell’attività
dell’encefalo. I ricercatori, facendo stime comparative dei modelli, hanno
identificato un meccanismo matematico (attractor
topology) che porta le differenze individuali
nello spectral-power e le riconduce alle peculiarità
della singola persona nei circuiti inibitori locali.
(Singh
M. F. et al., Precision data-driven modeling of
cortical dynamics reveals person specific mechanisms underpinning brain electrophysiology.
Proceedings of the National
Academy of Sciences USA – Epub
ahead of print doi: 10.1073/pnas.2409577121, 2025).
La provenienza degli autori
è la seguente: Department of
Statistics, University of Illinois, Urbana-Champaign, Champaign, IL (USA); Beckman
Institute for Advanced Science and Technology, University of Illinois,
Urbana-Champaign, Champaign, IL (USA); Department of Psychology, University of Illinois,
Urbana-Champaign, Champaign, IL (USA); Department of Electrical & Systems Engineering,
Washington University in St. Louis, St. Louis, MO (USA); Department of
Psychological & Brain Sciences, Washington University in St. Louis, St.
Louis, MO (USA); Center for Molecular and Behavioral Neuroscience, Rutgers
University, Newark, NJ (USA).
[Edited by Terrence Sejnowski, Salk Institute for Biological Studies, La
Jolla, California USA].
Per oltre
mezzo secolo i neurologi hanno dovuto spiegare ai pazienti che l’EEG non è un mezzo
per indagare la mente, come si vedeva nei film e si sentiva dire, ma solo una
metodica per studiare e indagare l’attività elettrica connessa a epilessie,
tumori e altre malattie neurologiche. Poco per volta, grazie ai progressi
compiuti nella metodica e al crescere delle conoscenze neurobiologiche, lo
studio elettroencefalografico in senso lato è diventato sempre più uno
strumento per l’esplorazione di processi cognitivo-strumentali.
Oggi
possiamo affermare che l’attività cerebrale libera da compiti specifici offre
una possibilità unica di conoscenza della struttura funzionale delle dinamiche
delle reti neuroniche dell’encefalo ed è stata usata per identificare markers
di differenze individuali.
Nello studio
di Mattew F. Singh e colleghi qui
recensito, si presenta un quadro di ottimizzazione algoritmica, che
direttamente inverte e parametrizza i modelli dei sistemi
dinamici di tutto l’encefalo, implicanti centinaia di popolazioni
neuroniche interagenti, tratte dalle registrazioni da singoli soggetti di M/EEG
in serie temporale.
Questa
tecnica fornisce un potente strumento neuro-computazionale per interrogare i
meccanismi sottostanti le dinamiche del singolo e specifico cervello, ossia i modelli
cerebrali di precisione (“precision brain
models”) e fare previsioni quantitative.
Mattew F. Singh e colleghi hanno proceduto ad un’estesa validazione della
prestazione dei modelli nella previsione dell’attività cerebrale futura e nel
prevedere la variabilità individuale in misure chiave di M/EEG. I
ricercatori hanno poi dimostrato il potere della loro tecnica di risolvere le differenze
individuali nella genesi di oscillazioni in α-frequenza e
β-frequenza.
In tal modo, i ricercatori sono stati in grado di caratterizzare i
soggetti basandosi sulla topologia del modello dell’attrattore e su un
meccanismo di sistemi dinamici, mediante i quali queste topologie generano
variazioni individuali nell’espressione di ritmi α vs ritmi β.
Singh e colleghi hanno poi riportato questi fenomeni alle variazioni globali
nell’equilibrio eccitatorio-inibitorio, evidenziando il potere esplicativo del
loro metodo nel generare conoscenza dei meccanismi.
L’autrice 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”).
Diane
Richmond
BM&L-25 gennaio 2025
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