Misteriosi segnali a forma di spirale rilevati nel cervello umano
La scoperta è stata effettuata da un team dell’Università di Sydney in Australia.
Un team di fisici dei fluidi dell’Università di Sydney in Australia e dell’Università di Fudan in Cina ha scoperto i segnali cerebrali che si increspano attraverso lo strato più esterno del tessuto neurale del cervello, la corteccia cerebrale, sulle scansioni del cervello di 100 giovani adulti. Segnali naturalmente disposti a spirale, come vortici in una vasca drenante o vortici di aria turbolenta. “Ottenere informazioni su come le spirali sono correlate all’elaborazione cognitiva potrebbe migliorare significativamente la nostra comprensione delle dinamiche e delle funzioni del cervello”, afferma l’autore senior Pulin Gong, fisico dell’Università di Sydney. La corteccia è lo strato esterno rugoso di tessuto denso di neuroni che si ripiega nei due emisferi del nostro cervello, responsabile del calcolo di funzioni cognitive complesse come il linguaggio e l’archiviazione dei ricordi.
I neuroscienziati si sono concentrati principalmente sulla mappatura dell’attività cerebrale dal basso verso l’alto per comprendere il funzionamento interno di regioni come la corteccia: imaging delle cellule per determinare come comunicano come reti che danno origine alla loro funzione. In una svolta entusiasmante, il team ha analizzato i dati di imaging del cervello raccolti nell’ambito del progetto Human Connectome utilizzando metodi più familiari ai fisici dei fluidi che studiano modelli di onde complesse in flussi turbolenti.
Misteriosi segnali a forma di spirale rilevati nel cervello umano
Le scansioni MRI funzionali producono dati di imaging che mostrano quando e dove il cervello si “accende” in un’esplosione di attività. I modelli a spirale identificati nei dati assomigliano a onde caleidoscopiche o, se semplificati in vortici direzionali, linee di pressione circolari su una mappa meteorologica. “Questi modelli a spirale mostrano dinamiche intricate e complesse, muovendosi attraverso la superficie del cervello mentre ruotano attorno a punti centrali noti come singolarità di fase”, spiega Gong. “Proprio come i vortici agiscono in turbolenza, le spirali si impegnano in interazioni complesse, svolgendo un ruolo cruciale nell’organizzazione delle complesse attività del cervello”, ipotizza . Onde ritmiche a spirale sono state rilevate in precedenza nei circuiti neurali , che si muovono attraverso regioni cerebrali locali che gestiscono input sensoriali come le cortecce visiva, uditiva e somatosensoriale. Queste onde viaggianti sono abbastanza intriganti a livello cellulare, soprattutto se si considera come vortici turbolenti siano stati osservati anche altrove nel corpo e in natura: nelle sospensioni dei batteri che nuotano , nella segnalazione biochimica del cuore e nelle membrane delle cellule viventi .
Ma il modo in cui le onde simili a un vortice possono materializzarsi attraverso la corteccia cerebrale nel suo insieme non era stato esplorato fino ad ora, lasciando una lacuna nella comprensione di come le funzioni cerebrali in ciascuna delle regioni potrebbero essere collegate. Le onde a spirale sembravano estendersi su più reti di cellule interconnesse ed erano situate in posizioni anatomiche precise, suggerendo che potrebbero svolgere un ruolo nel coordinare l’attività cerebrale. Questa teoria funzionante è stata testata con ulteriori analisi, rivelando che le spirali cerebrali hanno cambiato direzione per modificare l’attività cerebrale durante l’elaborazione del linguaggio e le attività di memoria di lavoro come ascoltare storie e rispondere a problemi di matematica. “Una caratteristica chiave di queste spirali cerebrali è che spesso emergono ai confini che separano le diverse reti funzionali nel cervello”, spiega Yiben Xu, studente laureato in fisica dell’Università di Sydney. In quei luoghi, i ricercatori pensano che le spirali rotanti possano agire come un cancello, lasciando che l’attività cerebrale fluisca verso un’altra regione quando gli spin sono opposti , o come un muro, bloccandolo quando ruotano nella stessa direzione. “Attraverso il loro movimento rotatorio, coordinano efficacemente il flusso di attività tra queste reti”, suggerisce Xu . I risultati si adattano a una teoria alternativa di come funzioni cerebrali complesse derivino dall’attività delle singole cellule, sparando via. La teoria suggerisce che i modelli ondulatori dell’attività cerebrale sono scolpiti dalla forma del cervello stesso – le pieghe, i solchi e i contorni – piuttosto che dalle sue interconnessioni. Il neurobiologo Kentaroh Takagaki della Tokushima University in Giappone, che non è stato coinvolto nel lavoro, afferma che i risultati di Gong e colleghi “presentano anche un netto contrappunto” all’ipotesi colonnare del cervello, che descrive come la corteccia è organizzata in colonne di neuroni che elaborare le informazioni in blocchi. Tuttavia, le registrazioni fMRI utilizzate nello studio hanno catturato solo le onde lente dell’attività cerebrale, quindi sono necessarie ulteriori ricerche per vedere se modelli simili emergono nelle oscillazioni delle onde cerebrali più veloci e nelle scansioni a risoluzione più elevata. “Svelando i misteri dell’attività cerebrale e scoprendo i meccanismi che ne governano il coordinamento, ci stiamo avvicinando a sbloccare il pieno potenziale della comprensione della cognizione e della funzione cerebrale”, afferma Gong …. continua
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