Mappare lo stato di riposo del cervello per capire le neurodegenerazioni

20 June 2013

Rilassati e chiudi gli occhi. Ora smetti di pensare. Hai appena messo il cervello in quello che i neuroscienziati chiamano "stato di riposo".

Ciò che il cervello può fare quando un individuo non è concentrato sul mondo esterno è stato al centro di numerose ricerche negli ultimi anni. Uno dei potenziali vantaggi di questi studi potrebbe essere la diagnosi definitiva di vari disturbi di salute mentale che vanno dal disordine bipolare ai disturbi da stress post-traumatico.

Negli ultimi dieci anni, i neuroscienziati hanno usato la tecnica non invasiva di mappatura cerebrale chiamata risonanza magnetica funzionale (fMRI) per esaminare gli schemi di attività nel cervello umano e animale in stato di riposo, per capire come si collegano le diverse parti del cervello e identificare i cambiamenti che si verificano nelle malattie neurologiche e psichiatriche. Per esempio, ci sono indizi che l'Alzheimer sia associato a una ridotta connettività; la depressione a una maggiore connettività; l'epilessia ad interruzioni della connettività e il Parkinson ad alterazioni della connettività.

Un team di psicologi e scienziati di imaging della Vanderbilt hanno collaborato in uno studio che fornisce l'importante conferma della validità di queste ricerche, esaminando nelle mappe fMRI il rapporto tra lo stato di riposo delle reti cerebrali con la sottostante struttura anatomica e neurologica del cervello. Lo studio è pubblicato nel numero del 19 Giugno della rivista Neuron.

"Precedenti studi hanno suggerito che la connettività dello stato di riposo, visibile nelle scansioni cerebrali, è ancorata alla connettività anatomica", premette il co-autore senior Anna Roe, professore di psicologia. "Ma il nostro studio ha confermato per la prima volta questa relazione a livello dei singoli neuroni". Questo è importante perché la fMRI non misura direttamente l'attività cerebrale. Lo fa misurando i cambiamenti nel livello di ossigeno nel sangue in diverse aree. La tecnica si basa sull'osservazione che, quando aumenta l'attività in una zona del cervello, aumenta il livello di ossigeno nel sangue in quella regione, modulando il segnale della RM. I neuroscienziati considerano questo un ulteriore passo avanti, ipotizzando che diverse aree del cervello siano collegate, se mostrano variazioni sincronizzate mentre il cervello è in stato di riposo.

"Questa è una convalida importante", dichiara il co-autore senior John Gore, direttore dell'Institute of Imaging Science della Vanderbilt e docente "Hertha Ramsey Cress" di Radiologia e Scienze Radiologiche e di Ingegneria Biomedica. "C'è da sempre un senso di disagio per il timore di interpretare qualcosa in modo errato, ma questo ci dà fiducia che le variazioni di stato di riposo possono essere interpretate in modo significativo e ci incoraggia a continuare la ricerca che ci impegna da un certo numero di anni. La fMRI dello stato di riposo è una tecnologia unica, potente e non invasiva per vedere i circuiti nel cervello umano".

Per esaminare la relazione tra le scansioni fMRI, i modelli di attività neuronale e la struttura anatomica del cervello, i ricercatori hanno esaminato la regione del lobo parietale di scimmie scoiattolo (nella foto Wikimedia), dedicate al monitoraggio delle sensazioni tattili. In particolare hanno esaminato l'area legata alla mano che consiste in una serie di aree adiacenti ognuna dedicata ad un dito diverso. Usando uno dei dispositivi di MRI più potenti disponibili, con una intensità di campo da 3 a 6 volte quella dei tipici scanner clinici, i ricercatori hanno prodotto scansioni cerebrali visualizzando per la prima volta le reti di millimetri di scala.

Per confrontare questi modelli con l'attività elettrica effettiva nel cervello, i ricercatori hanno inserito elettrodi in grado di registrare gli schemi di accensione dei singoli neuroni. Hanno inoltre usato tecniche ottiche per rintracciare le connessioni anatomiche tra i neuroni in tutta l'area.

"Con tutte e tre le tecniche, abbiamo trovato lo stesso modello di connettività. Le connessioni provenienti da altre aree del cervello tendono a creare un collegamento a un singolo dito, mentre le connessioni che hanno origine all'interno della zona tendono a collegarsi a più dita", spiega la Roe. "I nostri risultati dimostrano che le immagini fMRI del cervello in stato di riposo riflettono esattamente la connettività anatomica e funzionale del cervello fino a una scala estremamente piccola".

Hanno contribuito allo studio Zheng Wang, post-dottorato in psicologia, Li Min Chen, assistente professore dell'Institute of Imaging Science and Radiology e di scienze radiologiche, e László Négyessy dell'Accademia Ungherese delle Scienze di Budapest, insieme a Robert Friedman, Senior Research Associate in psicologia e ad Arabinda Mishra, scienziato di Imaging dell'Institute of Imaging Science.

La ricerca è stata finanziata dal National Institutes of Health, dalla Dana Foundation, dal Center for Integrative & Cognitive Neuroscience della Vanderbilt e dal Fondo Ungherese per la Ricerca Scientifica.

Fonte: Vanderbilt University. Articolo originale scritto da David Salisbury.

Riferimento: Zheng Wang, Li Min Chen, László Négyessy, Robert M. Friedman, Arabinda Mishra, John C. Gore, Anna W. Roe. The Relationship of Anatomical and Functional Connectivity to Resting-State Connectivity in Primate Somatosensory Cortex. Neuron, 19 June 2013 DOI: 10.1016/j.neuron.2013.04.023

Pubblicato in Science Daily (> English version) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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