Un nuovo modello di circuito per comprendere meglio il cervello

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Gli scienziati dell’EPFL hanno sviluppato un modello computerizzato del microcircuito talamico nel cervello del topo. Questo modello fornisce nuove conoscenze sul ruolo di quest’area cerebrale nella funzione e nella disfunzione del cervello.

Il talamo e il nucleo reticolare talamico si trovano nel cuore del cervello dei mammiferi. Svolgono un ruolo chiave in molte funzioni, tra cui la trasmissione di informazioni sensoriali alla corteccia e la transizione tra stati cerebrali come il sonno e la veglia. Tuttavia, alterazioni nell’accensione e nell’interconnettività dei neuroni talamici sono state associate a ritmi cerebrali patologici e a cambiamenti nelle onde cerebrali ritmiche che si verificano durante il sonno, osservati in disturbi come la schizofrenia, i disturbi del neurosviluppo, il disturbo da deficit di attenzione e iperattività e la malattia di Alzheimer.

Sviluppato dal team di Blue Brain, questo nuovo modello è il primo a catturare le forme complesse e le proprietà biofisiche di 14.000 neuroni collegati da 6 milioni di sinapsi. Può essere utilizzato per esplorare la complessità strutturale e funzionale dei circuiti neurali. Il modello riproduce anche diversi risultati sperimentali indipendenti a livello di rete in diversi stati cerebrali e fornisce una nuova spiegazione cellulare e sinaptica unificante dell’attività spontanea ed evocata sia nella veglia che nel sonno.

Uno dei risultati principali dello studio è che il rimbalzo inibitorio, un processo che regola l’attività delle cellule nervose, produce un aumento delle risposte talamiche durante la veglia a determinate frequenze. Il modello ha anche rivelato che le interazioni talamiche generano le caratteristiche oscillazioni a fuso, le onde cerebrali ritmiche osservate durante il sonno, e che i cambiamenti nell’eccitabilità delle cellule talamiche controllano la frequenza e l’occorrenza di queste oscillazioni a fuso.

"Questo è particolarmente utile per interpretare la presenza o l’assenza di fusi in diversi disturbi cerebrali", ha detto l’autrice principale Elisabetta Iavarone. "Questo approccio ha fornito il primo modello morfologico e biofisico dettagliato di un microcircuito talamico, dimostrando che il metodo di modellazione sviluppato da Blue Brain per i microcircuiti corticali può essere applicato ad altre aree cerebrali", aggiunge Henry Markram, fondatore e direttore del Blue Brain Project.

"I modelli e le simulazioni computazionali possono facilitare l’integrazione e la standardizzazione di diverse fonti di dati sperimentali, evidenziare gli esperimenti chiave mancanti e, allo stesso tempo, fornire uno strumento per verificare le ipotesi ed esplorare la complessità strutturale e funzionale dei circuiti neurali", spiega Sean Hill , co-direttore del Blue Brain Project e direttore scientifico del Krembil Centre for Neuroinformatics.

Pubblicata nell’ultimo numero di Cell Reports, la ricerca rappresenta un significativo progresso nella comprensione del ruolo del talamo e del nucleo reticolare talamico nella funzione e nella disfunzione cerebrale. Il modello sviluppato dal Blue Brain Project dell’EPFL è ora disponibile per i ricercatori, che potranno utilizzarlo nei loro studi.

"Questo modello è liberamente disponibile e fornisce un nuovo strumento per interpretare le oscillazioni del fuso e verificare le ipotesi sulla funzione e la disfunzione del circuito talamoreticolare in diversi stati della rete, nella salute e nella malattia", conclude Sean Hill.

Riferimenti

Portale dei microcircuiti talamoreticolari

Iavarone, E., Simko, J., Shi, Y., Bertschy, M., García-Amado, M., Litvak, P., Kaufmann, A.-K., O’Reilly, C., Amsalem, O., Abdellah, M., Chevtchenko, G., Coste, B., Courcol, J.-D., Ecker, A., Favreau, C., Fleury, A.C., Van Geit, W., Gevaert, M., Guerrero, N.R., Herttuainen, J., Ivaska, G., Kerrien, S., King, J.G., Kumbhar, P., Lurie, P., Magkanaris, I., Muddapu, V.R., Nair, J., Pereira, F.L., Perin, R., Petitjean, F., Ranjan, R., Reimann, M., Soltuzu, L., Sy, M.F., Tuncel, M.A., Ulbrich, A., Wolf, M., Clascá, F., Markram, H., & Hill, S. L. (2023). Controllo talamico dell’elaborazione sensoriale e dei fusi in un modello biofisico di circuito talamoreticolare somatosensoriale della veglia e del sonno. Cell Reports, 42(3), 112200. https://doi.org/10.1016/­j.celrep.2­023.112200