Capitolo 4. Modellazione di reti cerebrali
4.3. Circuiti cerebrali cognitivi
Circuiti cerebrali connettono vaste aree del cervello realizzando processi di informazione non solo a livello del singolo neurone, ma fra gruppi di neuroni, livelli più vasti di agglomerati neurali, reti cerebrali specializzate, come quelle deputate alla produzione linguistica. Infatti, le reti cerebrali si dispiegano su più scale spaziali, dalla micro scala di singole cellule e sinapsi, alla macro scala dei sistemi neurali, incorporati in sistemi cognitivi. Lo studio di come si connettono le diverse aree cerebrali rappresenta un settore emergente nel campo delle Neuroscienze. La connettività svolge un ruolo rilevante per chiarire la struttura neuroanatomica del cervello umano, lo sviluppo neurologico, la struttura elettrofisiologica dei circuiti neurali, le funzioni del cervello rilevate attraverso il Brain Imaging, le strutture neurali deputate alla
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cognizione in generale e al linguaggio in particolare. Il poter analizzare la struttura delle connessioni fra diverse aree cerebrali fornisce importanti chiarimenti sulla funzione di integrazione che il cervello svolge. Inoltre la modellazione di dati provenienti da Risonanza magnetica funzionale può farci capire come emerge la complessità organizzativa delle strutture del cervello, anche se costituite da elementi neurali sparsi ma interconnessi da sinapsi, attraverso gli assoni. La rete ci permette di analizzare l’architettura di tali connessioni per individuare i circuiti specializzati del linguaggio e di altre funzioni cognitive. Infatti, la modellazione matematica delle reti, e i metodi quantitativi che essa sottende, ovvero la traduzione in rete di immagini provenienti da Risonanza Magnetica permette la verifica di principi di organizzazione dell’architettura cerebrale che definisce l’anatomia del cervello, per definire come sia singoli neuroni, sia strutture via via più complesse, organizzano risposte fisiologiche a catene di stimoli provenienti dalle aree sensoriali. Queste risposte, inoltre risultano dalle interazioni tra un gran numero di singoli neuroni, collegati in circuiti locali, nonché in circuiti sempre più vasti, che individuano le aree dei lobi (frontali, parietali, temporali, occipitali,) che costituiscono, come detto precedentemente, l’emisfero destro e sinistro del cervello umano. L’integrazione strutturale e funzionale di questi circuiti cerebrali, che lavorano in parallelo, determina i differenti stati cognitivi che gli umani sperimentano, all’interno degli stati cerebrali associati al sonno e/o alla veglia. Differenti stati cognitivi corrispondono a differenti pattern di attivazione cerebrale, vale a dire a differenti circuiti neurali o percorsi nell’architettura di rete. Questi modelli non sono statici ma dinamici e realizzano la base delle dinamica cerebrale. Dinamiche differenti possono realizzare processi cognitivi diversi e esistono anche notevoli variazioni non solo tra un individuo e l’altro, ma anche all’interno dello stesso individuo: variando le connessioni circuitali e le relative dinamiche, cambia la connessione o l’architettura di rete. Tali dinamiche sono molto più importanti e in continua evoluzione durante lo sviluppo del cervello in soggetti di età evolutiva. Crescono e si sviluppano nuove connessioni, mentre altre possono essere abbandonate. Inoltre, nella corteccia motoria ha sede una rappresentazione fisica del corpo. Cervello e corpo sono accoppiati in modo dinamico attraverso cicli continui di percezione-azione. Quali sono i principali circuiti cognitivi? Cosa avviene al cervello quando è colpito da malattie neurodegenerative? Ricerche di neuroscienze hanno rilevato che le aree corticali e subcorticali sono in comunicazione attraverso complessi circuiti neurali che regolano i meccanismi d’attivazione e d’inibizione dei sistemi neurali, e che sottendono l’organizzazione cognitiva (Leonardi, 2008). I circuiti cortico/subcorticali comprendono i gangli basali, il talamo, l’amigdala, e l’ippocampo. Le aree della corteccia sono invece connesse dai circuiti cortico/corticali. Questi due tipi di circuiti attivano la corteccia frontale per cui sono anche chiamati circuiti fronto/corticali e fronto/sottocorticali. Appartengono ai circuiti fronto/corticali le seguenti aree cerebrali:
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b) il fascicolo fronto/occipitale superiore, che collega l’insula e la corteccia frontale con i lobi temporali ed occipitali;
c) Il fascicolo uncinato, che lega la corteccia frontale orbitale e polare con i lobi temporali anteriori;
d) l’area del cingolo che unisce il lobo frontale con l’ippocampo e le aree parietali posteriori ed occipito/temporali.
I circuiti fronto/sottocorticali individuati sono le seguenti connessioni cerebrali:
e) circuito motorio, comprensivo delle specifiche di tale area costituita dall’area motoria aggiuntiva, dalle aree premotorie, dalll’area motoria primaria e dall’area somatosensoriale;
f) circuito oculomotore, che si diparte dalle aree oculari frontali;
g) circuito prefrontale/dorsolaterale, che collega la superfice dorsolaterale del lobo frontale con altre aree frontali e quelle parietali;
h) circuito orbitofrontale/laterale, che comprende i giri orbitali laterali con connessioni alla corteccia temporale dell’insula; questa struttura è collegata con il circuito dorsolaterale;
i) circuito orbitofrontale/mediale, che ha origine nel giro retto e nel giro orbitario mediale, in collegamento con la corteccia cingolata anteriore e riceve afferenze da strutture subcorticali e mesencefaliche coinvolte con la gratificazione ed il piacere;
l) circuito del cingolo anteriore, ripartito nelle sottoregioni rostrali, con funzione affettiva; dorsale, con funzione cognitiva; caudale con funzioni motorie;
m) circuito corteccia laterale/cervelletto con funzioni esecutive. Questi circuiti sono reciprocamente interconnessi.
Come fa ad emergere una funzione cognitiva da un semplice circuito con funzione associativa e trasmettendo informazioni attraverso le varie connessioni da un’area all’altra? Le reti cerebrali modellate attraverso dinamiche di rete possono aiutare a comprendere come emergono le connessioni da semplici scambi di informazioni.
La modellizzazione attraverso la Connectomica, studia il cervello umano come una rete complessa con l’obiettivo di avere una descrizione globale dell’architettura di tale rete, costruendo una mappa completa dei suoi elementi e delle sue connessioni. Lo studio di una rete cerebrale prevede inoltre il calcolo di parametri tipici della teoria dei grafi, volti a individuare le aree più centrali, ad esaminare la tolleranza della rete in questo caso alla neurodegenerazione strutturale e funzionale, per calcolare quanto la rete elabori processi di connettività globali e locali.