Segnali catturati con fMRI da un cervello di ratto, visualizzati sopra un’immagine anatomica dell’animale. Le aree controlaterali colorate in rosso si attivano insieme allo stesso tempo, nonostante la grande distanza tra loro. Credito: Joana Cabral
Sono passati più di 20 anni da quando gli studi di neuroimaging, utilizzando la risonanza magnetica funzionale (fMRI), una tecnologia ampiamente utilizzata per acquisire video in tempo reale dell’attività cerebrale, hanno rilevato modelli complessi a livello cerebrale di attività cerebrale correlata che appaiono interrotti in un’ampia gamma di disturbi neurologici e psichiatrici. Questi modelli si formano spontaneamente, anche a riposo quando non viene eseguito alcun compito particolare, e sono stati rilevati non solo negli esseri umani ma anche nei mammiferi, comprese scimmie e roditori.
Sebbene tali modelli spaziali di attivazione correlata siano stati costantemente rilevati nei centri di neuroimaging di tutto il mondo, la natura di queste correlazioni non era chiara. “Non comprendiamo ancora appieno come il cervello comunica su lunghe distanze. Sappiamo che aree distanti mostrano correlazioni di segnale e che sono implicate nella funzione cerebrale, ma non ne comprendiamo completamente la natura”, afferma Noam Shemesh, ricercatore principale del Preclinical MRI Lab presso la Champalimaud Foundation, a Lisbona, e autore senior di uno studio pubblicato il 6 febbraio 2023 sulla rivista Nature Communications è una rivista scientifica peer-reviewed, ad accesso aperto, multidisciplinare pubblicata da Nature Portfolio. Copre le scienze naturali, tra cui fisica, biologia, chimica, medicina e scienze della terra. Ha iniziato a pubblicare nel 2010 e ha una redazione a LondraBerlino, New York e Shanghai.
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”> Comunicazioni sulla natura.
«In questo studio, volevamo capire cosa si nasconde sotto queste correlazioni e indagare sui meccanismi coinvolti», sottolinea Shemesh.
Numerosi lavori teorici avevano proposto che questi modelli potessero essere spiegati da onde stazionarie (i cui picchi e depressioni non si muovono nello spazio) che risuonano nella struttura cerebrale, cioè da onde analoghe alle modalità di vibrazione negli strumenti musicali. Ma c’erano poche prove sperimentali a sostegno di questa ipotesi a causa della scarsa risoluzione temporale della fMRI, che raggiungeva solo un’immagine o due al secondo. “Se potessimo scoprire che i modelli spaziali oscillano, ciò fornirebbe prove a sostegno dell’ipotesi della risonanza”, afferma Joana Cabral, prima autrice dello studio, dell’Istituto di ricerca sulle scienze della vita e della salute dell’Università del Minho e scienziata in visita presso lo Shemesh’s laboratorio dal 2019.
[embedded content]
Il video mostra che l’attività cerebrale catturata con fMRI può essere ricostruita come sovrapposizione di un piccolo numero di onde stazionarie macroscopiche, o modalità risonanti, oscillanti nel tempo. Credito: Joana Cabral
Quindi ciò che il team ha fatto è stato accelerare l’acquisizione delle immagini e hanno scoperto che i segnali nelle regioni cerebrali distanti oscillano insieme nel tempo. “Questi modelli oscillatori sembrano un analogo dimensionale superiore delle modalità di risonanza negli strumenti musicali; sono simili a riverberi, a echi all’interno del cervello”, dice Cabral.
“I nostri dati mostrano che i complessi schemi spaziali sono il risultato di modalità sottostanti che oscillano in modo transitorio e indipendente, proprio come i singoli strumenti partecipano alla creazione di un brano più complesso in un’orchestra”, afferma Shemesh. “Le modalità distinte, ognuna delle quali contribuisce in qualche modo al quadro generale su diverse scale temporali e diverse lunghezze d’onda, possono essere sommate insieme, generando schemi macroscopici complessi simili a quelli osservati sperimentalmente [see below]. A nostra conoscenza, questa è la prima volta che l’attività cerebrale catturata con fMRI viene ricostruita come sovrapposizione di onde stazionarie”, sottolinea.
Il nuovo studio indica quindi con forza un ruolo chiave per queste onde risonanti, o modalità, nella funzione cerebrale. Questi fenomeni risonanti, ritengono gli autori, sono alla base dell’attività cerebrale coerente e coordinata necessaria per la normale funzione cerebrale nel suo insieme.
Risonanza magnetica ultraveloce
I ricercatori hanno rilevato le modalità di risonanza nei ratti nello stato di riposo, il che significa che gli animali non sono stati sottoposti ad alcuno stimolo esterno specifico. In effetti, non erano necessari compiti, perché come già accennato, anche quando noi (e i mammiferi in generale) non stiamo facendo nulla in particolare, i nostri cervelli continuano a generare modelli di attività spontanei che possono essere catturati dalla fMRI.
Per visualizzare le oscillazioni, i ricercatori hanno creato “video” di attività utilizzando il potente scanner MRI sperimentale a campo ultraelevato nel laboratorio di Shemesh ed eseguito esperimenti ultraveloci sviluppati qualche tempo fa da quel laboratorio per altri scopi.
“Noam e io ci siamo incontrati nel 2019 e abbiamo deciso di ottenere registrazioni dell’attività cerebrale alla massima risoluzione temporale che potevamo ottenere nello scanner 9.4 Tesla del suo laboratorio”, ricorda Cabral. «Noam ha progettato gli esperimenti, Francisca Fernandes [the third author of the study] li ho eseguiti e ho fatto l’analisi dei dati e la visualizzazione. Noam è riuscita a raggiungere una risoluzione temporale di 26 immagini al secondo, ottenendo così 16.000 immagini per scansione di 10 minuti (invece di 600 immagini alla risoluzione tipica di un’immagine al secondo).
Come onde nell’oceano
“Quando abbiamo visto per la prima volta i video dell’attività cerebrale registrata, abbiamo visto chiare onde di attività, come onde nell’oceano, che si propagavano in schemi complessi all’interno della corteccia e dello striato [a subcortical region of the forebrain]”, afferma Cabral. “E abbiamo scoperto che i segnali potevano essere descritti dalla sovrapposizione di un piccolo numero di onde stazionarie macroscopiche, o modi risonanti, che oscillano nel tempo. In particolare, si è scoperto che ogni onda stazionaria copre aree estese del cervello, con picchi distribuiti in strutture corticali e sottocorticali distinte, formando reti funzionali».
I ricercatori hanno sperimentato ratti in tre diverse condizioni: sedati, leggermente anestetizzati e profondamente anestetizzati. (In effetti, gli animali sono stati leggermente sedati nello stato di riposo, per evitare loro qualsiasi disagio.) “La configurazione spaziale di queste onde stazionarie era molto coerente tra i ratti scansionati nelle stesse condizioni”, sottolinea Cabral.
Shemesh aggiunge: “Abbiamo dimostrato che le reti funzionali cerebrali sono guidate da fenomeni di risonanza. Questo spiega le correlazioni che altrimenti si osservano quando si esegue l’imaging lento. Le interazioni cerebrali a lungo raggio sono governate da un “flusso” di informazioni che è oscillatorio e ripetitivo”.
Stati patologici
Hanno anche scoperto che l’aumento della quantità di anestetico riduce il numero, la frequenza e la durata delle onde stazionarie risonanti. Come già accennato, studi precedenti hanno dimostrato che alcuni modelli di attivazione cerebrale sono costantemente alterati nei disturbi della coscienza. Quindi questo disegno sperimentale, dice Cabral, era in realtà pensato anche per imitare diversi stati patologici.
“Le reti funzionali appaiono interrotte in diversi disturbi neurologici e psichiatrici”, sottolinea. Se confermati negli esseri umani, ipotizza, i loro risultati potrebbero anche portare all’uso di modalità risonanti come biomarcatori per la malattia.
“Il nostro studio fornisce anche una nuova ‘pista’ nell’osservazione delle malattie”, conferma Shemesh. “Sappiamo che l’attività cerebrale a lungo raggio è fortemente influenzata dalla malattia, ma non capiamo perché o come. Comprendere il meccanismo delle interazioni a lungo raggio potrebbe portare a un modo completamente nuovo di caratterizzare la malattia e suggerire il tipo di trattamento che potrebbe essere necessario: ad esempio, se in un paziente manca una modalità di risonanza specifica, potremmo voler trovare modi per stimolare quella particolare modalità”.
Ovviamente sarà necessario più lavoro per confermare tutti questi risultati, concordano i ricercatori, e se sono replicabili negli esseri umani. Ma “una volta compresa meglio la natura delle reti funzionali, possiamo progettare strategie informate per modulare questi modelli di rete”, afferma Cabral.
Questo è precisamente l’oggetto del nuovo progetto dei ricercatori, “BRAINSTIM: prevedere strategie di stimolazione per modulare le interazioni tra le aree cerebrali”. Finanziato dalla Fondazione “la Caixa” e dalla banca portoghese BPI, con 300.000 euro, è una collaborazione tra l’Istituto di Scienze della Vita e della Salute dell’Università del Minho e la Fondazione Champalimaud – e il suo scopo è quello di comprendere meglio l’impatto delle diverse stimolazioni cerebrali farmacologiche ed elettromagnetiche nella modulazione di queste modalità oscillatorie su macroscala.
Riferimento: “Modalità oscillatorie intrinseche su macroscala che guidano la connettività funzionale a lungo raggio nei cervelli di ratti femminili rilevati dalla fMRI ultraveloce” di Joana Cabral, Francisca F. Fernandes e Noam Shemesh, 6 febbraio 2023, Comunicazioni sulla natura.
DOI: 10.1038/s41467-023-36025-x
Da un’altra testata giornalistica news de www.europeantimes.news
