Nella sua descrizione delle reti di comunicazione del cervello, Alessandra Griffa, ricercatrice post-dottorato senior presso l’EPFL, ama usare metafore di viaggio. I segnali cerebrali vengono inviati da una sorgente a una destinazione, creando un percorso polisinaptico che attraversa diverse aree cerebrali "come un viaggio costellato da molte fermate".
L’autrice spiega che i percorsi di connettività strutturale del cervello sono già stati osservati sulla base di reti ("percorsi") di fibre neuronali. Ma in qualità di scienziata presso il Medical Image Processing Laboratory ( MIP:Lab ) della Facoltà di Scienze e Tecniche dell’Ingegneria dell’EPFL e di coordinatrice della ricerca presso il Leenaards Memory Centre del CHUV, Alessandra Griffa ha voluto seguire i modelli di trasmissione delle informazioni per scoprire come vengono inviati e ricevuti i messaggi. In uno studio pubblicato di recente sulla rivista Nature Communications , ha collaborato con Dimitri Van de Ville, responsabile del MIP:Lab, ed Enrico Amico, titolare di una borsa di studio SNSF Ambizione, per creare "mappe del traffico cerebrale" di esseri umani e altri mammiferi per un confronto.
Per ottenere questo risultato, gli scienziati hanno raccolto dati open source di imaging di diffusione (DWI) e di risonanza magnetica funzionale (fMRI) da esseri umani, macachi e topi svegli e a riposo. Le scansioni DWI hanno permesso agli scienziati di ricreare "mappe stradali" del cervello, mentre le scansioni fMRI hanno mostrato diverse aree cerebrali che si illuminano lungo ogni "strada", indicando che questi percorsi trasmettono informazioni neuronali.
Hanno analizzato i dati della risonanza magnetica multimodale utilizzando la teoria dell’informazione e la teoria dei grafi. Alessandra Griffa afferma che è stata questa nuova combinazione di metodi a produrre i nuovi dati.
"La novità del nostro studio è l’utilizzo di dati multimodali in un unico modello che combina due branche della matematica: la teoria dei grafi, che descrive le ’mappe stradali’ polisinaptiche, e la teoria dell’informazione, che mappa la trasmissione di informazioni (o ’traffico’) attraverso le strade. Il principio di base è che i messaggi trasmessi da una fonte a un obiettivo rimangono invariati o vengono degradati a ogni fermata lungo il percorso, come il gioco del telefono arabo che facevamo da bambini".
L’approccio degli scienziati ha rivelato che nei cervelli non umani le informazioni vengono inviate lungo un unico "percorso", mentre negli esseri umani esistono più percorsi paralleli tra la fonte e la destinazione. Inoltre, questi percorsi paralleli sono unici come le impronte digitali e potrebbero essere utilizzati per identificare gli individui.
"Si era ipotizzato che tale elaborazione parallela esistesse nel cervello umano, ma non era mai stata osservata nell’intero cervello", riassume Alessandra Griffa.
Prospettive per l’evoluzione e la medicina
Secondo Alessandra Griffa, l’interesse del modello scoperto dagli scienziati risiede nella sua semplicità e nel fatto che suggerisce nuove prospettive e vie di ricerca nei campi dell’evoluzione e delle neuroscienze computazionali. Ad esempio, i risultati possono essere spiegati con l’aumento del volume del cervello umano nel corso del tempo, che ha dato origine a modelli di connettività più complessi."Potremmo ipotizzare che questi flussi di informazioni parallele permettano rappresentazioni multiple della realtà e la capacità di eseguire compiti astratti propri degli esseri umani".
L’autrice aggiunge che, sebbene questa ipotesi sia puramente speculativa, dato che lo studio di Nature Communications non includeva alcun test sulle capacità informatiche o cognitive dei soggetti, si tratta di questioni che vorrebbe esplorare in futuro.
"Abbiamo studiato come viaggiano le informazioni. Un prossimo passo interessante sarebbe quello di modellare processi più complessi per studiare come le informazioni vengono combinate ed elaborate nel cervello per creare qualcosa di nuovo".
In qualità di ricercatrice sulla memoria e sulla cognizione, è particolarmente interessata a utilizzare il modello sviluppato nello studio per scoprire se la trasmissione parallela di informazioni possa conferire resilienza alle reti cerebrali e potenzialmente svolgere un ruolo nella neuroriabilitazione dopo una lesione cerebrale o nella prevenzione del declino cognitivo nelle patologie dell’età avanzata.
"Alcune persone invecchiano in buona salute, mentre altre subiscono un declino cognitivo. Vorremmo quindi sapere se esiste un legame tra questa differenza e la presenza di flussi informativi paralleli, e se è possibile addestrarli per compensare i processi neurodegenerativi".
