Attraverso una vasta rete di fibre nervose, i segnali elettrici viaggiano costantemente attraverso il cervello. Questa attività complicata è ciò che alla fine dà origine ai nostri pensieri, emozioni e comportamenti, ma forse anche a problemi di salute mentale e neurologici quando le cose vanno male.
La stimolazione cerebrale è un trattamento emergente per tali disturbi. Stimolare una regione del tuo cervello con impulsi elettrici o magnetici attiverà una cascata di segnali attraverso la tua rete di connessioni nervose.
Tuttavia, al momento, gli scienziati non sono del tutto sicuri di come queste cascate viaggino per influenzare l’attività del tuo cervello nel suo insieme, un importante pezzo mancante che limita i benefici delle terapie di stimolazione cerebrale.
Nell’ultima ricerca, pubblicata oggi su Neuron, hanno scoperto che la diffusione della stimolazione cerebrale può essere prevista utilizzando la matematica delle reti.
Monitoraggio dei segnali elettrici nel cervello
Studiare la comunicazione nel cervello umano è difficile. Questo perché i segnali elettrici si muovono molto velocemente, alla scala dei millesimi di secondo, tra una parte del cervello e l’altra.
Per rendere le cose più complicate, i segnali vengono comunicati tramite una rete incredibilmente complessa di fibre nervose che collega tutte le regioni del cervello. Questi problemi rendono difficile per gli scienziati persino osservare i segnali che viaggiano attraverso il cervello.
Tuttavia, in circostanze molto speciali e controllate, possiamo utilizzare elettrodi invasivi per tracciare con precisione la propagazione dei segnali cerebrali. Gli elettrodi invasivi sono strumenti che vengono inseriti chirurgicamente nel cervello di pazienti consenzienti.
È importante sottolineare che questo tipo di procedura invasiva può essere eseguita solo in circostanze molto particolari, quando l’obiettivo principale è aiutare i pazienti. Nel nostro caso, i pazienti erano persone con grave epilessia. Quando i pazienti con epilessia non rispondono ai farmaci, possono scegliere di utilizzare gli elettrodi per aiutare i medici a scoprire di più su ciò che potrebbe accadere nel loro cervello.
Lo studio si è basato su un ampio gruppo di 550 pazienti volontari con epilessia in più di 20 ospedali in Nord America, Asia ed Europa.
Gli elettrodi forniscono un modo per stimolare delicatamente un’area del cervello con un impulso elettrico e, allo stesso tempo, registrare l’attività cerebrale del paziente. Abbiamo utilizzato i dati di elettrodi posizionati in diverse posizioni del cervello per tracciare la comunicazione degli impulsi elettrici da una regione all’altra.
Come ultimo ingrediente per lo studio, hanno utilizzato le scansioni MRI per ricostruire la rete di fibre nervose del cervello umano, nota come connettoma. Questo ha fornito un modello del cablaggio fisico attraverso il quale i segnali elettrici vengono comunicati nel cervello.
La matematica della comunicazione in rete
Quindi, come vengono comunicati i segnali attraverso il complesso cablaggio del connettoma?
Una semplice possibilità è che i segnali viaggino attraverso i percorsi più diretti nel connettoma. In termini di rete, ciò significherebbe che un impulso elettrico va da una regione all’altra attraverso il percorso più breve delle regioni intermedie tra di loro.
Un’altra idea è che i segnali si diffondano tramite diffusione di rete. Per capirlo, pensa a come l’acqua scorrerebbe lungo una rete di tubi.
Ogni volta che l’acqua raggiunge una giunzione nella rete, il flusso si divide lungo percorsi divergenti. Più incroci lungo il percorso dell’acqua significano più spaccature e il flusso lungo un dato percorso diventa più debole. Tuttavia, se alcuni dei percorsi divergenti si incontrano nuovamente a valle, la forza del flusso aumenta nuovamente. In questa analogia, tutte le connessioni (tubi) nella rete contribuiscono a modellare il flusso del segnale (acqua), non solo quelli lungo il percorso più diretto.
Cosa è stato trovato
Questi due tipi di comunicazione di rete – percorsi più brevi contro flusso diffusivo – sono due ipotesi in competizione per spiegare come i segnali elettrici passano attraverso il cablaggio del connettoma dopo la stimolazione cerebrale. Oggi gli scienziati non sono sicuri di quale ipotesi corrisponda meglio a ciò che accade nel cervello.
Lo studio è uno dei primi a cercare di risolvere questo dibattito. Per fare ciò, hanno chiesto se i percorsi più brevi o la diffusione predicono meglio la propagazione del segnale elettrico, misurata dagli elettrodi nel cervello dei pazienti.
Dopo aver analizzato i dati, hanno trovato prove a sostegno dell’ipotesi del flusso diffusivo. Ciò significa che molte più connessioni nervose, rispetto a quelle che viaggiano lungo percorsi più brevi, danno forma al modo in cui la stimolazione cerebrale scende lungo il connettoma.
Questa è un’informazione importante per gli scienziati, poiché aiuta a capire in che modo il cablaggio fisico delle connessioni nervose contribuisce all’attività e al funzionamento del cervello.
Qual è il prossimo?
Questo studio è uno dei primi nel suo genere e sono necessari ulteriori lavori per confermare ciò che hanno scoperto. Ci auguriamo che i progressi nella comprensione della comunicazione cerebrale aiutino anche gli scienziati clinici a progettare migliori trattamenti di stimolazione cerebrale per i problemi di salute mentale.
La stimolazione cerebrale può aiutare a “ripristinare” la comunicazione malfunzionante tra le regioni cerebrali. Ad esempio, la stimolazione non invasiva (eseguita al di fuori del cranio e senza la necessità di un intervento chirurgico) è un trattamento per il disturbo depressivo maggiore.
Nella ricerca futura, indagheranno se le scoperte riportate qui possono essere utilizzate per migliorare il beneficio terapeutico di tali trattamenti di stimolazione cerebrale.
Autore
Caio Seguin, Università dell’Indiana, Andrew Zalesky, Università di Melbourne
