Lo sviluppo delle reti cerebrali umane in adolescenza legato all'espansione evolutiva

L'adolescenza non rappresenta solo il periodo di maturazione fisica che porta dall'infanzia all'età adulta, ma anche un periodo cruciale per il rimodellamento del cervello umano. Uno studio eseguito alla University of Pennsylvania rivela nuovi modelli di sviluppo coordinato nello strato esterno del telencefalo del cervello umano e descrive come questi schemi strutturali si legano alle reti funzionali.


Il team ha scoperto che la convergenza tra reti strutturali e funzionali era inversamente correlata alla complessità funzionale. Reti motorie, sensoriali, visive e funzionali sono allineate a reti strutturali distinte. Questa rappresentazione unica della maturazione cerebrale può aprire nuove opportunità per studi futuri in molti disturbi psichiatrici che potrebbero iniziare in questa epoca. La ricerca è pubblicata sui Proceedings of the National Academy of Sciences.


Il rimodellamento del cervello durante l'adolescenza supporta la sintonizzazione del comportamento e delle abilità cognitive, che comprendono ragionamento, coordinamento, decisione, motivazione e regolazione delle emozioni. La misurazione di questi parametri cerebrali durante lo sviluppo è utile per comprendere sia la maturazione del cervello normale che le anomalie associate ai problemi comportamentali e ai disturbi psichiatrici.


Contrariamente alle piccole dimensioni del campione coinvolto nella ricerca precedente sullo stesso argomento, questa coorte di 934 giovani di età compresa tra 8 e 22 anni dalla Philadelphia Neurodevelopmental Cohort, una collaborazione tra la Penn Medicine e l'Ospedale dei Bambini di Philadelphia (guidata da Raquel E. Gur MD/PhD, professore di psichiatria) offre l'opportunità di valutare questi modelli complessi di sviluppo del cervello.


Molti studi precedenti hanno esaminato la struttura e la funzione del cervello, ma c'era un divario tra gli studi di scansioni cerebrali e i processi biologici che guidano lo sviluppo delle reti cerebrali. Questo team ha preso dati complessi e di alta dimensione che altrimenti sarebbero difficili da capire e li hanno riassunti fino ad un numero limitato di reti strutturali dello sviluppo cerebrale (18 in totale).


"In un'epoca di dati grandi e complessi, a volte è difficile vedere cosa sta succedendo", ha dichiarato Christos Davatzikos PhD, professore di Radiologia e autore senior della ricerca. "Quindi guardi questi dati e pensi che ci siano delle relazioni, ma il nostro cervello e l'interpretazione visiva possono arrivare fin là. Ora abbiamo potenti metodi multivariati che possono mettere insieme tutti i dati e vedere in profondità ciò che c'è dietro di essi e trovare modelli mai visti prima".


Per approfondire questi modelli di sviluppo del cervello, il team ha usato una tecnica sofisticata chiamata «fattorizzazione di matrice non-negativa», per analizzare contemporaneamente modelli complessi della struttura del cervello e identificare i modelli di sviluppo nell'adolescenza. A differenza delle precedenti rappresentazioni del cervello che si basavano su schemi di creste e pieghe sulla superficie del cervello (circonvoluzioni e solchi), il team ha esaminato come gli elementi cambiano insieme in modo coordinato.


Questo approccio ha rivelato una serie di reti cerebrali strutturali che hanno un significato funzionale e evolutivo chiaro. Infatti, il grado in cui queste reti strutturali cambiano nell'adolescenza è legato al tasso di evoluzione, misurato dall'espansione delle aree corticali, dal cervello di una scimmia.


"Le parti più plastiche del cervello che cambiano durante l'adolescenza sono anche quelle che ci rendono più umani", ha affermato Theodore D. Satterthwaite MD, professore ordinario di Psichiatria e altro autore senior dello studio. "Senza questo metodo, non avremmo potuto vedere questi modelli coordinati di cambiamento".


"Guardando il cervello in modo guidato dai dati, vediamo relazioni sistematiche tra alcune regioni", ha dichiarato il dottor Aristeidis Sotiras, associato di ricerca e primo autore della ricerca. "Questo ci permette di identificare le parti in movimento del cervello, aprendo nuovi percorsi per la ricerca sul rischio di un individuo di sviluppare malattie specifiche, in base alla comprensione di come queste parti si rompono durante l'adolescenza".


In modo simile all'uso dei grafici di altezza e peso in pediatria, guardare quali regioni del cervello cambiano in modo significativo rispetto ad una normale linea base di sviluppo, potrebbe mostrare la vulnerabilità di un individuo ad un disturbo specifico. Le deviazioni dei processi che guidano lo sviluppo e che interessano le reti strutturali possono portare a disturbi psichiatrici.


In seguito il team spera di studiare l'associazione tra sintomi clinici e modelli cerebrali specifici.

 

 

 


Fonte: University of Pennsylvania (>English version) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: Aristeidis Sotiras, Jon B. Toledo, Raquel E. Gur, Ruben C. Gur, Theodore D. Satterthwaite, Christos Davatzikos. Patterns of coordinated cortical remodeling during adolescence and their associations with functional specialization and evolutionary expansion. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017; 201620928 DOI: 10.1073/pnas.1620928114

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