Come funziona il cervello rimane un puzzle con solo alcuni pezzi al loro posto. Di questi, un grande pezzo è in realtà una congettura: che ci sia una relazione tra la struttura fisica del cervello e la sua funzionalità.

I lavori del cervello includono l’interpretazione degli input tattili, visivi e sonori, così come la parola, il ragionamento, le emozioni, l’apprendimento, il controllo fine del movimento e molti altri. I neuroscienziati presumono che sia l’anatomia del cervello – con le sue centinaia di miliardi di fibre nervose – a rendere possibili tutte queste funzioni. I “fili viventi” del cervello sono collegati in elaborate reti neurologiche che danno origine alle sorprendenti capacità degli esseri umani.

Sembrerebbe che se gli scienziati possono mappare le fibre nervose e le loro connessioni e registrare i tempi degli impulsi che scorrono attraverso di esse per una funzione superiore come la visione, dovrebbero essere in grado di risolvere la questione di come si vede, per esempio. I ricercatori stanno migliorando nella mappatura del cervello usando la trattografia – una tecnica che rappresenta visivamente i percorsi delle fibre nervose usando la modellazione 3D. E stanno migliorando nel registrare come le informazioni si muovono attraverso il cervello usando una risonanza magnetica funzionale migliorata per misurare il flusso sanguigno.

Ma nonostante questi strumenti, nessuno sembra molto più vicino a capire come vediamo veramente. Le neuroscienze hanno solo una comprensione rudimentale di come tutto si combina.

Per affrontare questa lacuna, la ricerca di bioingegneria del mio team si concentra sulle relazioni tra struttura e funzione del cervello. L’obiettivo generale è quello di spiegare scientificamente tutte le connessioni – sia anatomiche che wireless – che attivano diverse regioni del cervello durante i compiti cognitivi. Stiamo lavorando su modelli complessi che catturano meglio ciò che gli scienziati sanno della funzione del cervello.

In definitiva un quadro più chiaro della struttura e della funzione può mettere a punto i modi in cui la chirurgia del cervello cerca di correggere la struttura e, al contrario, i farmaci cercano di correggere la funzione.

Punti caldi senza fili nella tua testa

Funzioni cognitive come il ragionamento e l’apprendimento utilizzano un certo numero di regioni cerebrali distinte in modo sequenziale. La sola anatomia – i neuroni e le fibre nervose – non può spiegare l’eccitazione di queste regioni, simultaneamente o in tandem.

Alcune connessioni sono effettivamente “senza fili”. Si tratta di connessioni elettriche di campo vicino, e non le connessioni fisiche catturate nei tractogrammi.

Il mio team di ricerca ha lavorato per diversi anni dettagliando le origini di queste connessioni wireless e misurando le loro intensità di campo. Un’analogia molto semplice di ciò che accade nel cervello è come funziona un router wireless. Internet arriva a un router tramite una connessione cablata. Il router poi invia le informazioni al tuo portatile usando connessioni wireless. Il sistema complessivo di trasferimento delle informazioni funziona grazie alle connessioni cablate e wireless.

Nel caso del cervello, le cellule nervose conducono impulsi elettrici lungo lunghe braccia filiformi chiamate assoni dal corpo cellulare ad altri neuroni. Lungo il percorso, i segnali wireless vengono emessi naturalmente da porzioni non isolate delle cellule nervose. Questi punti che mancano dell’isolamento protettivo che avvolge il resto dell’assone sono chiamati nodi di Ranvier.

I nodi di Ranvier permettono agli ioni carichi di diffondersi dentro e fuori il neurone, propagando il segnale elettrico lungo l’assone. Mentre gli ioni entrano ed escono, si generano campi elettrici. L’intensità e la struttura di questi campi dipende dall’attività della cellula nervosa.

Qui al Global Center for Neurological Networks ci stiamo concentrando su come questi segnali wireless funzionano nel cervello per comunicare informazioni.

Il mondo non lineare del cervello

Le indagini su come le regioni cerebrali eccitate corrispondono alle funzioni cognitive commettono un altro errore quando si basano su presupposti che portano a modelli troppo semplici.

I ricercatori tendono a modellare la relazione come lineare con una singola variabile, misurando la dimensione media della risposta di una singola regione del cervello. È la logica dietro la progettazione del primo apparecchio acustico – se la voce di una persona diventa due volte più forte, l’orecchio dovrebbe rispondere il doppio.

Ma gli apparecchi acustici sono notevolmente migliorati nel corso degli anni in quanto i ricercatori hanno capito meglio che l’orecchio non è un sistema lineare, e una forma di compressione non lineare è necessaria per abbinare i suoni generati alla capacità dell’ascoltatore. Infatti, la maggior parte degli esseri viventi non ha sistemi di rilevamento che rispondono in modo lineare, uno-a-uno agli stimoli.

I modelli lineari presuppongono che se l’input di un sistema è raddoppiato, l’output di quel sistema sarà anche raddoppiato. Questo non è vero per i modelli non lineari, dove possono esistere molti valori di uscita per un singolo valore di ingresso. E la maggior parte degli scienziati concorda sul fatto che i calcoli neurali sono di fatto non lineari.

Una questione cruciale nella comprensione del legame tra cervello e comportamento è come il cervello decide il miglior corso d’azione tra alternative concorrenti. Per esempio, la corteccia frontale del cervello fa scelte ottimali calcolando molte quantità, o variabili – calcolando il potenziale profitto, la probabilità di successo e il costo in termini di tempo e sforzo. Poiché il sistema non è lineare, raddoppiare il potenziale payoff può rendere una decisione finale molto più che doppiamente probabile.

I modelli lineari non comprendono la ricca varietà di possibilità che possono verificarsi nel funzionamento del cervello, specialmente quelle che vanno oltre ciò che la struttura anatomica suggerisce. È come la differenza tra una rappresentazione 2D e 3D del mondo che ci circonda.

I modelli lineari attuali descrivono solo il livello medio di eccitazione in una regione del cervello, o il flusso attraverso una superficie del cervello. Queste sono molte meno informazioni di quelle che io e i miei colleghi utilizziamo quando costruiamo i nostri modelli non lineari a partire dalla risonanza magnetica funzionale potenziata e dai dati di bioimmagini elettriche near-field. I nostri modelli forniscono un’immagine 3D del flusso di informazioni attraverso le superfici del cervello e alle profondità al suo interno – e ci avvicinano a rappresentare come funziona il tutto.

Anatomia normale, disfunzione fisiologica

Il mio team di ricerca è incuriosito dal fatto che persone con strutture cerebrali dall’aspetto del tutto normale possono ancora avere grossi problemi funzionali.

Come parte della nostra ricerca sulle disfunzioni neurologiche, visitiamo persone in ospizio, gruppi di sostegno per il lutto, strutture per la riabilitazione, centri traumatici e ospedali per acuti. Siamo sempre sorpresi nel constatare che le persone che hanno perso i loro cari possono mostrare sintomi simili a quelli dei pazienti con diagnosi di Alzheimer.

Il dolore è una serie di risposte emotive, cognitive, funzionali e comportamentali alla morte o ad altri tipi di perdita. Non è uno stato, ma piuttosto un processo che può essere temporaneo o in corso.

I cervelli dall’aspetto sano di coloro che soffrono di lutto fisiologico non hanno gli stessi problemi anatomici – tra cui regioni cerebrali rimpicciolite e connessioni interrotte tra reti di neuroni – che si trovano in quelli delle persone con la malattia di Alzheimer.

Crediamo che questo sia solo un esempio di come i punti caldi del cervello – quelle connessioni che non sono fisiche – più la ricchezza del funzionamento non lineare del cervello possono portare a risultati che non sarebbero previsti da una scansione del cervello. Ci sono probabilmente molti altri esempi.

Queste idee possono indicare la strada per l’attenuazione di gravi condizioni neurologiche attraverso mezzi non invasivi. La terapia del lutto e i dispositivi non invasivi di neuromodulazione elettrica near-field possono ridurre i sintomi associati alla perdita di una persona cara. Forse questi protocolli e procedure dovrebbero essere più ampiamente offerti ai pazienti che soffrono di disfunzioni neurologiche dove l’imaging rivela cambiamenti anatomici. Potrebbe salvare alcuni di questi individui da procedure chirurgiche invasive.

Diagrammare tutti i collegamenti non fisici del cervello usando i nostri recenti progressi nella mappatura del campo vicino elettrico, e impiegando quelli che crediamo siano modelli non lineari multi-variabili biologicamente realistici, ci porterà un passo più vicino a dove vogliamo andare. Una migliore comprensione del cervello non solo ridurrà la necessità di procedure operative invasive per correggere la funzione, ma porterà anche a modelli migliori per ciò che il cervello fa meglio: calcolo, memoria, collegamento in rete e distribuzione delle informazioni.