Modelli biofisici computerizzati dell’attività del cervello per predire i deficit neurologici nell'ictus

PADOVA\ aise\ - Conoscere i meccanismi fondamentali alla base delle dinamiche dell'attività cerebrale, ancora in gran parte sconosciuti, potrebbe aiutare a comprendere la risposta del cervello a condizioni patologiche, come le lesioni cerebrali (ictus).
Lo studio "Recovery of neural dynamics criticality in personalized whole brain models of stroke" pubblicato su “Nature Communications”, frutto di una collaborazione internazionale tra fisici, neurologi e psicologi, a cura di Rodrigo Rocha, Loren Kocillari, Samir Suweis, Michele De Grazia, Michel Thiebaut De Schotten, Marco Zorzi e Maurizio Corbetta, propone la teoria della criticità cerebrale per spiegare le relazioni fra alterazioni cerebrali e funzione nei pazienti neurologici.
In fisica è noto da tempo che certi sistemi si trovano tra l'ordine e il caos in uno stato così detto “critico”. Se la criticità è effettivamente una proprietà fondamentale dei cervelli sani, allora le disfunzioni neurologiche alterano questa configurazione dinamica ottimale. Alcuni studi hanno riportato un'alterazione della criticità durante le crisi epilettiche, il sonno a onde lente, l'anestesia e la malattia di Alzheimer.
Tuttavia, test cruciale per questa ipotesi sarebbe mostrare che alterazioni locali dell'architettura strutturale e funzionale del cervello causano anche una perdita di “criticità” del sistema. Se, infatti, le alterazioni migliorano nel tempo, per esempio con una attività di fisioterapia, allora si dovrebbe dovremmo osservare parallelamente il recupero della criticità. Un'altra previsione è che se la criticità è essenziale per il comportamento, allora la sua alterazione dopo una lesione focale deve essere correlata alla disfunzione comportamentale e al recupero della funzione. Infine, i cambiamenti nella criticità dovrebbero anche essere correlati ai meccanismi di plasticità che sono alla base del recupero.
“Abbiamo studiato longitudinalmente una coorte di partecipanti sani e colpiti da ictus misurando sia la loro connettività anatomica che l’attività funzionale del cervello (attraverso la risonanza magnetica funzionale, nota come fMRI)”, spiega Rocha. “Per questi individui, infine, avevamo anche a disposizioni i risultati di test comportamentali. Abbiamo trovato che i pazienti colpiti da ictus presentano, a distanza da tre mesi dall’ictus, livelli ridotti di attività neurale, della sua variabilità, e della forza delle connessioni funzionali. Tutti questi fattori contribuiscono a una perdita complessiva di criticità che però migliora nel tempo con il recupero del paziente. Dimostriamo inoltre che i cambiamenti nella criticità predicono il grado di recupero comportamentale e dipendono in modo rilevante da specifiche connessioni della sostanza bianca. In sintesi, - conclude – il nostro lavoro descrive un importante progresso nella comprensione dell'alterazione delle dinamiche cerebrali e delle relazioni cervello-comportamento nei pazienti neurologici”.
"Questi risultati – evidenzia Maurizio Corbetta, direttore del Padova Neuroscience Center (PNC) dell'Università di Padova e della Clinica Neurologica Azienda Ospedale Università Padova, e ricercatore del Venetian Institute of Molecular Medicine (VIMM) - dimostrano che modelli dinamici al computer sull'intero cervello possono essere utilizzati per tracciare e prevedere il recupero dell'ictus a livello di singolo paziente; questo apre la possibilità di utilizzare questi metodo per misurare l’effetto di terapie quali la riabilitazione o la stimolazione non-invasiva". (aise)