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Neuroscienze computazionali: come potremo prevedere i processi mentali che avremo

Lo sviluppo prolungato di connessioni neuronali nell'adolescenza supporta la maturazione di funzioni cognitive

Una delle sfide più grandi della scienza è la comprensione del funzionamento della mente umana. In tal senso, un enorme supporto scientifico-tecnologico proviene dalle neuroscienze computazionali, una branca moderna delle neuroscienze attraverso cui si elaborano modelli matematici in grado di simulare le reti neurali artificiali, permettendo di esplorare le relazioni strutturali e funzionali tra diverse aree cerebrali. In questo modo si cerca di comprendere, ad esempio, i processi mentali alla base della coscienza, della gioia, della depressione e tanti altri aspetti del comportamento umano.

Il cervello umano è organizzato in circuiti neuronali che si sviluppano dall’infanzia sino all’età adulta, distinti per area cerebrale in cui sono localizzati e per funzione, ma che supportano in ultima analisi la cosiddetta “funzione esecutiva” del cervello, cioè quell’insieme di capacità cognitive “superiori” necessarie per il controllo di comportamenti critici come l’autocontrollo, la capacità decisionale ed il pensiero complesso. Un po’ come “il boss” di un’azienda che monitora i diversi reparti e li coordina in maniera efficiente ed efficace.

Le connessioni neuronali di questi circuiti variano plasticamente nel tempo in base all’esperienza percettiva e di memoria. Nonostante questi circuiti siano separati spazialmente, o siano distinti in base alle loro funzioni specifiche, il coordinamento e l’integrazione di più circuiti sono necessari per lo svolgimento di ogni funzione, anche le più semplici. In generale, “percorsi” di materia bianca mantengono i circuiti connessi e ne coordinano l’attività necessaria per la funzione cognitiva.

Per citare una metafora comunemente usata per descrivere tale sistema, pensiamo all’insieme delle aree cerebrali e delle loro connessioni come ad una mappatura delle “strade” del cervello, mentre le diverse informazioni rappresentano il “traffico” che circola su queste strade mentre pensiamo, mentre eseguiamo un compito, mentre riposiamo, mentre ricordiamo. Capire e spiegare i processi di integrazione dei circuiti neuronali è alla base di molteplici ricerche nel settore neurofisiologico.

Nell’ambito di questo tipo di studi si inserisce una ricerca molto interessante condotta da un team di scienziati del Lifespan Brain Institute of Perelman School of Medicine of the University of Pennsylvania e del Children’s Hospital of Philadelphia, i quali hanno cercato di comprendere come il cervello sia in grado di supportare due aspetti della suddetta funzione esecutiva e, cioè, la capacità decisionale e l’autocontrollo, durante l’adolescenza. E’ noto che questa fase della crescita è caratterizzata da un rapido sviluppo cerebrale. I ricercatori hanno studiato lo sviluppo di connessioni cerebrali funzionali e strutturali (il cosiddetto structure-function coupling) dall’infanzia all’adolescenza, su un gruppo di 727 partecipanti tra gli 8 e i 10 anni, attraverso tecniche di neuroimaging. L’analisi dei dati di mappatura ha permesso di ottenere una misura del grado in cui uno schema di connessioni anatomiche sia in grado di supportare un’attività cerebrale sincronizzata. 

I risultati ottenuti hanno mostrato che la variabilità nell’accoppiamento struttura-funzione nelle diverse regioni cerebrali è inversamente correlato alla complessità della funzione di cui è responsabile una specifica regione: un accoppiamento struttura-funzione maggiore è stato trovato in aree del cervello specializzate nell’elaborazione di informazioni sensoriali semplici, come ad esempio nel sistema visivo. Al contrario, la correlazione struttura-funzione è minore in parti del cervello più complesse specializzate nella funzione esecutiva e dell’autocontrollo, che richiedono elaborazioni più astratte e flessibili. I ricercatori hanno inoltre riscontrato che l’accoppiamento struttura-funzione aumenta nell’infanzia e nell’adolescenza proprio nelle aree cerebrali complesse, come la corteccia prefrontale: oltre alla già citata tendenza ad avere un minore accoppiamento struttura-funzione e ad essere responsabili anche della funzione dell’autocontrollo, queste aree cerebrali sono quelle che  hanno avuto una maggiore espansione nell’uomo rispetto a quelle di altri primati nel corso dell’evoluzione e questa espansione potrebbe aver permesso l’emergere di abilità cognitive complesse, uniche. Lo sviluppo prolungato dell’accoppiamento struttura-funzione in queste regioni può consentire una migliore funzione esecutiva, quindi, anche la capacità di autocontrollo nell’età adulta.

Questo studio, pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Science nel gennaio 2020, è importante perché evidenzia una dimensione critica dello sviluppo cerebrale degli adolescenti in cui l’accoppiamento tra la connettività neuronale funzionale e strutturale si modella a supporto di specializzazioni funzionali e cognitive. Inoltre, anomalie nello sviluppo delle connessioni cerebrali possono portare a un deficit delle capacità decisionali e possono essere correlate all’insorgenza di patologie mentali durante l’adolescenza. Infine, lo studio può contribuire all’identificazione di biomarcatori dello sviluppo cerebrale in grado di predire esiti clinici nell’età più avanzata.

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