I cambiamenti nei circuiti neurali del cervello

Uno studio che esamina la relazione tra connettività strutturale e funzionale del cervello in 727 partecipanti di età compresa tra 8 e 23 anni ha rivelato un marcato rimodellamento dell'accoppiamento struttura-funzione durante la giovinezza.

Il cervello umano è organizzato in circuiti che si sviluppano dall'infanzia fino all'età adulta per supportare la funzione esecutiva - comportamenti critici come l'autocontrollo, il processo decisionale e il pensiero complesso. Questi circuiti sono ancorati da percorsi di materia bianca che coordinano l'attività cerebrale necessaria per la cognizione. Tuttavia, esistono poche ricerche per spiegare come la materia bianca matura per supportare l'attività che consente di migliorare la funzione esecutiva durante l'adolescenza - un periodo di rapido sviluppo del cervello.

I ricercatori del Lifespan Brain Institute della Perelman School of Medicine dell'Università della Pennsylvania e del Children's Hospital di Philadelphia hanno applicato gli strumenti della scienza delle reti per identificare come si sviluppano le connessioni anatomiche nel cervello per supportare l'attività neurale alla base di queste aree chiave. I risultati sono stati pubblicati negli Atti della National Academy of Sciences. (1)

Il dottor Theodore Satterthwaite, MD, (2) autore senior dello studio e assistente professore di psichiatria alla University of Pennsylvania School of Medicine, afferma: «Analizzando lo sviluppo del cervello durante l'infanzia e l'adolescenza, possiamo capire meglio come il cervello supporta la funzione esecutiva e l'autocontrollo sia nei bambini sani che in quelli con diverse esperienze di salute mentale. Poiché le anomalie nello sviluppo della connettività cerebrale e i deficit nella funzione esecutiva sono spesso collegati all'emergere di malattie mentali durante la giovinezza, i nostri risultati possono aiutare a identificare i biomarcatori dello sviluppo del cervello che predicono i risultati cognitivi e clinici più avanti nella vita.»

In questo studio, i ricercatori hanno mappato l'accoppiamento struttura-funzione - il grado in cui il modello di connessioni anatomiche di una regione del cervello supporta l'attività neurale sincronizzata. Questo potrebbe essere pensato come un'autostrada, dove le connessioni anatomiche sono la strada e le connessioni funzionali sono il traffico che scorre lungo quelle strade. I ricercatori hanno mappato e analizzato i dati di neuroimaging multimodale da 727 partecipanti di età compresa tra 8 e 23 anni e sono emersi tre importanti risultati.

Innanzitutto, il team ha scoperto che la variabilità regionale nell'accoppiamento struttura-funzione era inversamente correlata alla complessità della funzione di cui è responsabile una determinata area cerebrale. È stato individuato un accoppiamento struttura-funzione superiore in parti del cervello specializzate nell'elaborazione di semplici informazioni sensoriali, come il sistema visivo. Al contrario, c'era un accoppiamento struttura-funzione inferiore in parti complesse del cervello che sono responsabili della funzione esecutiva e dell'autocontrollo, che richiedono un'elaborazione più astratta e flessibile.

I risultati hanno evidenziato che l'accoppiamento struttura-funzione si allineava anche con i modelli noti di espansione del cervello nel corso dell'evoluzione dei primati. Precedenti lavori di confronto tra cervelli umani e cervelli di scimmie hanno dimostrato che aree sensoriali come il sistema visivo sono altamente conservate tra le specie di primati e non si sono molto espanse durante la recente evoluzione. Al contrario, le aree di associazione del cervello, come la corteccia prefrontale, si sono notevolmente espanse nel corso dell'evoluzione dei primati. Questa espansione potrebbe aver permesso l'emergere di abilità cognitive umane unicamente complesse.

Il team ha scoperto che le aree del cervello che si espandevano rapidamente durante l'evoluzione avevano un accoppiamento struttura-funzione inferiore, mentre le semplici aree sensoriali che sono state conservate nella recente evoluzione avevano un accoppiamento struttura-funzione più elevato.

I ricercatori hanno anche scoperto che l'accoppiamento struttura-funzione è aumentato durante l'infanzia e l'adolescenza in regioni cerebrali frontali complesse. Queste sono le stesse regioni che tendono ad avere un accoppiamento struttura-funzione basale inferiore, sono espanse rispetto alle scimmie e sono responsabili dell'autocontrollo.

Lo sviluppo prolungato dell'accoppiamento struttura-funzione in queste regioni può consentire una migliore funzione esecutiva e autocontrollo che si sviluppa nell'età adulta. In effetti, i ricercatori hanno scoperto che l'accoppiamento struttura-funzione superiore nella corteccia prefrontale laterale - un'area cerebrale complessa che svolge ruoli importanti nell'autocontrollo - era associato a una migliore funzione esecutiva.

Il dottor Graham Baum, PhD, (3) autore principale dello studio e borsista post-dottorato presso l'Università di Harvard (era uno studente di dottorato in neuroscienze Penn durante il periodo della ricerca), asserisce: «Questi risultati suggeriscono che funzioni esecutive come il controllo degli impulsi - che possono essere particolarmente difficili per i bambini e gli adolescenti - dipendono in parte dallo sviluppo prolungato dell'accoppiamento struttura-funzione in aree cerebrali complesse come la corteccia prefrontale. Ciò ha importanti implicazioni per comprendere come i circuiti cerebrali si specializzano durante lo sviluppo per supportare comportamenti orientati agli obiettivi flessibili e appropriati.»

Altri co-autori dell'University of Pennsylvania School of Medicine includono: Zaixu Cui, David R. Roalf, Bart Larsen, Matthew Cieslak, Philip A. Cook, Cedric H. Xia, Tyler M. Moore, Kosha Ruparel. Desmond Oathes, Russell T. Shinohara, Raquel E. Gur, Ruben C. Gur e Danielle S. Bassett.

Questo lavoro è stato supportato dal National Institute of Mental Health (F31MH115709, R01MH113550, MH089983, MH089924, R01MH107703, R01MH112847, R01MH107235, P50MH096891, K01MH102609, R01NS08521169, R20 Ulteriore supporto è stato fornito dal Lifespan Brain Institute.

Penn Medicine è uno dei principali centri medici accademici del mondo, dedicato alle missioni correlate di educazione medica, ricerca biomedica ed eccellenza nella cura dei pazienti. Penn Medicine è costituita dalla Raymond and Ruth Perelman School of Medicine dell'Università della Pennsylvania (fondata nel 1765 come prima scuola medica della nazione) e dall'Università della Pennsylvania Health System, che insieme formano un'impresa da 7,8 miliardi di dollari.

La Perelman School of Medicine è stata classificata tra le migliori scuole di medicina negli Stati Uniti da oltre 20 anni, secondo il sondaggio di US Medical & World Report sulle scuole di medicina orientate alla ricerca. La scuola è costantemente tra i maggiori destinatari di finanziamenti della nazione dal National Institutes of Health, con 425 milioni di dollari assegnati nell'anno fiscale 2018.

Le strutture di assistenza ai pazienti del Sistema Sanitario dell'Università della Pennsylvania includono: l'Ospedale dell'Università della Pennsylvania e il Penn Presbyterian Medical Center - che sono riconosciuti come uno dei migliori ospedali “Honor Roll” della nazione dagli Stati Uniti Notizie e rapporto mondiale - Chester County Hospital; Lancaster General Health; Penn Medicine Princeton Health; e Pennsylvania Hospital, il primo ospedale della nazione, fondato nel 1751. Altre strutture e aziende includono Good Shepherd Penn Partners, Penn Home Care and Hospice Services, Lancaster Behavioral Health Hospital e Princeton House Behavioral Health, tra gli altri.

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Riferimenti:

(1) Development of structure–function coupling in human brain networks during youth

(2) Theodore Satterthwaite

(3) Graham Baum

Descrizione foto: Uno studio che esamina la relazione tra connettività cerebrale strutturale e funzionale in 727 partecipanti di età compresa tra 8 e 23 anni ha rivelato un marcato rimodellamento dell'accoppiamento struttura-funzione durante la giovinezza. - Credit: Graham Baum.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Research Identifies Changes in Neural Circuits Underlying Self-Control, Decision Making During Adolescent Brain Development