Cum funcționează creierul rămâne un puzzle cu doar câteva piese la locul lor. Dintre acestea, o piesă mare este de fapt o conjectură: că există o relație între structura fizică a creierului și funcționalitatea sa.

Printre sarcinile creierului se numără interpretarea intrărilor tactile, vizuale și sonore, precum și vorbirea, raționamentul, emoțiile, învățarea, controlul fin al mișcărilor și multe altele. Neurologii presupun că anatomia creierului – cu sutele sale de miliarde de fibre nervoase – este cea care face posibile toate aceste funcții. „Firele vii” ale creierului sunt conectate în rețele neurologice elaborate care dau naștere abilităților uimitoare ale ființelor umane.

S-ar părea că, dacă oamenii de știință pot cartografia fibrele nervoase și conexiunile lor și pot înregistra sincronizarea impulsurilor care trec prin ele pentru o funcție superioară, cum ar fi vederea, ei ar trebui să fie capabili să rezolve problema modului în care cineva vede, de exemplu. Cercetătorii reușesc din ce în ce mai bine să cartografieze creierul cu ajutorul tractografiei – o tehnică care reprezintă vizual traseele fibrelor nervoase cu ajutorul modelării 3D. Și devin din ce în ce mai buni la înregistrarea modului în care informația se deplasează prin creier prin utilizarea imagisticii prin rezonanță magnetică funcțională îmbunătățită pentru a măsura fluxul sanguin.

Dar, în ciuda acestor instrumente, nimeni nu pare mult mai aproape de a înțelege cum vedem cu adevărat. Neuroștiința are doar o înțelegere rudimentară a modului în care totul se potrivește.

Pentru a aborda acest neajuns, cercetările de bioinginerie ale echipei mele se concentrează pe relațiile dintre structura și funcția creierului. Obiectivul general este de a explica științific toate conexiunile – atât anatomice, cât și fără fir – care activează diferite regiuni ale creierului în timpul sarcinilor cognitive. Lucrăm la modele complexe care să surprindă mai bine ceea ce oamenii de știință știu despre funcția creierului.

În cele din urmă, o imagine mai clară a structurii și a funcției ar putea perfecționa modul în care chirurgia creierului încearcă să corecteze structura și, invers, medicamentele încearcă să corecteze funcția.

Puncte fierbinți fără fir în cap

Funcțiile cognitive, cum ar fi raționamentul și învățarea, utilizează o serie de regiuni distincte ale creierului într-o manieră secvențială în timp. Anatomia singură – neuronii și fibrele nervoase – nu poate explica excitarea acestor regiuni, concomitent sau în tandem.

Câteva conexiuni sunt de fapt „fără fir”. Acestea sunt conexiuni electrice de câmp apropiat, și nu conexiunile fizice surprinse în tractograme.

Echipa mea de cercetare a lucrat timp de mai mulți ani la detalierea originilor acestor conexiuni fără fir și la măsurarea intensității câmpului lor. O analogie foarte simplă a ceea ce se întâmplă în creier este modul în care funcționează un router wireless. Internetul este livrat către un router printr-o conexiune cu fir. Routerul trimite apoi informațiile către laptopul dumneavoastră prin intermediul conexiunilor wireless. Sistemul general de transfer de informații funcționează datorită atât conexiunilor cu fir, cât și celor fără fir.

În cazul creierului, celulele nervoase conduc impulsuri electrice de-a lungul unor brațe lungi ca niște fire numite axoni, de la corpul celular la alți neuroni. Pe parcurs, semnale fără fir sunt emise în mod natural din porțiuni neizolate ale celulelor nervoase. Aceste puncte cărora le lipsește izolația protectoare care învelește restul axonului se numesc noduri Ranvier.

Nodurile Ranvier permit ionilor încărcați să se difuzeze în interiorul și în afara neuronului, propagând semnalul electric de-a lungul axonului. Pe măsură ce ionii intră și ies, se generează câmpuri electrice. Intensitatea și structura acestor câmpuri depind de activitatea celulei nervoase.

Aici, la Centrul Global pentru Rețele Neurologice, ne concentrăm asupra modului în care aceste semnale fără fir funcționează în creier pentru a comunica informații.

Lumea neliniară a creierului

Investigațiile privind modul în care regiunile excitate ale creierului se potrivesc cu funcțiile cognitive fac o altă greșeală atunci când se bazează pe ipoteze care duc la modele prea simple.

Cercetătorii tind să modeleze relația ca fiind liniară cu o singură variabilă, măsurând dimensiunea medie a răspunsului unei singure regiuni cerebrale. Este logica din spatele proiectării primului aparat auditiv – dacă vocea unei persoane crește de două ori mai tare, urechea ar trebui să răspundă de două ori mai mult.

Dar aparatele auditive s-au îmbunătățit foarte mult de-a lungul anilor, pe măsură ce cercetătorii au ajuns să înțeleagă mai bine că urechea nu este un sistem liniar și că este nevoie de o formă de compresie neliniară pentru a adapta sunetele generate la capacitatea ascultătorului. De fapt, majoritatea ființelor vii nu au sisteme senzoriale care să răspundă într-un mod liniar, unu la unu, la stimuli.

Modelurile liniare presupun că, dacă intrarea într-un sistem este dublată, ieșirea acelui sistem va fi, de asemenea, dublată. Acest lucru nu este valabil în cazul modelelor neliniare, unde pot exista mai multe valori de ieșire pentru o singură valoare a intrării. Și majoritatea oamenilor de știință sunt de acord că, de fapt, calculele neuronale sunt neliniare.

O întrebare crucială în înțelegerea legăturii dintre creier și comportament este modul în care creierul decide cel mai bun curs de acțiune dintre alternativele concurente. De exemplu, cortexul frontal al creierului face alegeri optime prin calcularea mai multor cantități, sau variabile – calculând câștigul potențial, probabilitatea de succes și costul în termeni de timp și efort. Deoarece sistemul este neliniar, dublarea câștigului potențial poate face ca o decizie finală să fie mult mai mult decât de două ori mai probabilă.

Modelurile liniare ratează varietatea bogată de posibilități care pot apărea în funcționarea creierului, în special cele dincolo de ceea ce ar sugera structura anatomică. Este ca și diferența dintre o reprezentare 2D și 3D a lumii din jurul nostru.

Modelurile liniare actuale descriu doar nivelul mediu de excitație într-o regiune a creierului, sau fluxul pe o suprafață a creierului. Acestea sunt mult mai puține informații decât cele pe care colegii mei și cu mine le folosim atunci când ne construim modelele neliniare atât din datele îmbunătățite de imagistică prin rezonanță magnetică funcțională, cât și din datele de bioimagistică electrică în câmp apropiat. Modelele noastre oferă o imagine 3D a fluxului de informații de-a lungul suprafețelor creierului și spre adâncurile din interiorul acestuia – și ne apropie de reprezentarea modului în care funcționează totul.

Anatomie normală, disfuncție fiziologică

Echipa mea de cercetare este intrigată de faptul că persoanele cu structuri cerebrale cu aspect total normal pot avea totuși probleme funcționale majore.

În cadrul cercetărilor noastre privind disfuncțiile neurologice, vizităm persoane în centre de îngrijire paliativă, grupuri de sprijin pentru doliu, centre de îngrijire pentru reabilitare, centre de traume și spitale de îngrijire acută. Suntem în mod constant surprinși să realizăm că persoanele care au pierdut persoane dragi pot prezenta simptome similare cu cele ale pacienților diagnosticați cu boala Alzheimer.

Doliul este o serie de răspunsuri emoționale, cognitive, funcționale și comportamentale la moarte sau la alte tipuri de pierderi. Nu este o stare, ci mai degrabă un proces care poate fi temporar sau continuu.

Creierul cu aspect sănătos al celor care suferă de doliu fiziologic nu are aceleași probleme anatomice – inclusiv regiuni cerebrale micșorate și conexiuni întrerupte între rețelele de neuroni – care se regăsesc în cel al persoanelor cu boala Alzheimer.

Credem că acesta este doar un exemplu al modului în care punctele fierbinți ale creierului – acele conexiuni care nu sunt fizice – plus bogăția funcționării neliniare a creierului pot duce la rezultate care nu ar fi prezise de o scanare a creierului. Probabil că există mult mai multe exemple.

Aceste idei pot arăta calea spre atenuarea afecțiunilor neurologice grave prin mijloace neinvazive. Terapia de doliu și dispozitivele neinvazive de neuromodulare electrică în câmp apropiat pot reduce simptomele asociate cu pierderea unei persoane dragi. Poate că aceste protocoale și proceduri ar trebui să fie oferite pe scară mai largă pacienților care suferă de disfuncții neurologice în cazul în care imagistica dezvăluie modificări anatomice. Ar putea salva unele dintre aceste persoane de la proceduri chirurgicale invazive.

Diagnotizarea tuturor legăturilor non-fizice ale creierului folosind progresele noastre recente în cartografierea câmpului electric apropiat și utilizând ceea ce credem că sunt modele neliniare biologic realiste cu multe variabile, ne va aduce cu un pas mai aproape de locul unde dorim să ajungem. O mai bună înțelegere a creierului nu numai că va reduce nevoia de proceduri de operare invazive pentru a corecta funcția, dar va duce, de asemenea, la modele mai bune pentru ceea ce creierul face cel mai bine: calculul, memoria, crearea de rețele și distribuirea informațiilor.

.