La geometria del cervello
Alla scoperta del connettoma: l’impronta digitale della cognizione.
Secondo le granitiche convinzioni della frenologia, una dottrina pseudoscientifica affermatasi nel XIX secolo, gli esecutori assoluti dei numerosi processi cognitivi realizzati dal nostro cervello sarebbero delle specifiche aree cerebrali legate in maniera biunivoca a ciascun compito. Numerose evidenze sperimentali hanno tuttavia demolito tale visione sull’architettura cerebrale ed evidenziato una duplice natura multidimensionale del rapporto tra aree e cognizione: una stessa regione può essere coinvolta in processi totalmente diversi, e una singola funzione può essere implementata tramite il rapido coinvolgimento di aree distanti spazialmente.
La crisi del passato paradigma frenologico è stata quindi accompagnata dal sorgere di un modello olistico che vede ogni funzione cognitiva emergere da un opportuno bilanciamento tra integrazione e segregazione di aree cerebrali che comunicano tra loro in maniera quasi simultanea. Nello specifico, il substrato fisico che permette questa comunicazione neuronale è un’intricata ed estesa rete di fibre nervose, o assoni, che collegano direttamente o indirettamente le regioni del cervello: il connettoma.
Similmente a come la velocità e l’efficienza dei flussi di traffico degli aerei nei cieli dipendono dal modello di rete utilizzato dalle compagnie di trasporto, la velocità di elaborazione delle informazioni e l’efficienza generale dei processi cognitivi dipendono inevitabilmente dalla forma, o geometria, del connettoma.
Nell’analogia appena esposta, la posizione degli aeroporti principali, la scelta e la frequenza dei collegamenti aerei possono essere ad esempio equiparati alla posizione delle importanti aree cerebrali, alla presenza e alla forza dei vari collegamenti assonali. Come studiare allora questa geometria? Da un punto di vista matematico, il connettoma può essere trattato come un grafo, ovvero un oggetto astratto composto da un insieme di punti, le aree cerebrali, e un insieme di collegamenti tra punti, le connessioni assonali tra le regioni. I metodi matematici appartenenti alla teoria dei grafi, applicati ai dati ottenuti tramite tecniche di neuroimaging (un’immagine di strutture assonali ottenuta mediante imaging a risonanza magnetica con tensore di diffusione è posta come copertina dell’album The 2nd Law del gruppo musicale Muse, nella pagina precedente), rappresentano quindi lo strumento fondamentale per investigare la geometria dei connettomi, permettendo di elucidare le grandi similarità e differenze tra gli individui di specie animali diverse e tra quelli di una stessa specie.
Recenti studi di teoria dei grafi hanno mostrato come l’organizzazione dei connettomi dei mammiferi sia di tipo small-world. Tale modello geometrico di rete è caratterizzato dalla presenza di densi collegamenti assonali all’interno di singole regioni, e di un numero mediamente piccolo di collegamenti fisici diretti necessari per connettere due aree cerebrali non direttamente collegate. Questa particolare architettura presenta anche una buona robustezza a possibili disconnessioni permanenti delle regioni: data la piccola percentuale di aree con elevato numero di collegamenti importanti (tali regioni sono chiamate hub) è più probabile che ad essere disconnessa da un danno fisico sia una regione con un basso numero di connessioni, meno importante per la stabilità ed efficienza della comunicazione neuronale.
Il modello di connettoma small-world rappresenta una costante tra i cervelli di tutti i mammiferi studiati finora. Tuttavia, l’avere una geometria small-world non è tutto; esistono infatti molte altre caratteristiche dei connettomi che differiscono ampiamente a livello interspecifico.
Un chiaro esempio è la posizione degli hub sulla corteccia cerebrale: un’organizzazione distribuita di questi aeroporti è una prerogativa dei soli primati e, tra tutti questi particolari mammiferi, gli esseri umani mostrano i livelli di maggiore uniformità spaziale. Nello specifico, si pensa che tale particolarità possa aver contribuito nell’uomo a un incremento della specializzazione delle singole aree del cervello, e a un generale miglioramento dell’efficienza del connettoma nell’integrare le informazioni provenienti da regioni distanti.
La ricerca scientifica riguardante le basi neurali dell’intelligenza umana ha mostrato un notevole interesse verso il ruolo giocato dalle connessioni interne ad alcune specifiche regioni corticali. Ad esempio, sono molto studiate alcune aree della corteccia frontale e della corteccia medio-parietale nel problem solving con strategie di pensiero fluido; di particolare interesse è anche il ruolo di alcune aree temporali in processi di ragionamento sintetico: la risoluzione di un quesito di natura verbale con un’intuizione improvvisa, il cosiddetto insight, richiede l’attivazione del giro antero-superiore della corteccia temporale, che invece non avviene durante ragionamenti puramente algoritmici.
Se da un lato questi risultati sottolineano l’importanza della segregazione funzionale dei circuiti neurali interni a ciascuna di queste specifiche aree, altri studi mettono in risalto il fondamentale ruolo dell’integrazione e del connettoma nella sua totalità.
Ad esempio, la teoria dei grafi ha chiaramente mostrato come i valori delle misure di efficienza in termini di trasferimento dell’informazione nel cervello correlino positivamente con i risultati ottenuti nei test del QI.
Purtroppo, a causa di una tecnologia non ancora ottimale, non siamo in grado di esplorare la mappa comprensiva di ogni connessione neurale: la dimensione delle strutture assonali più piccole attualmente distinguibili con la risonanza magnetica è dell’ordine dei millimetri (metri), molto lontani dal desiderato micrometro (metri), l’ordine di grandezza necessario per effettuare una corretta disambiguazione di tutte le connessioni presenti nel cervello. I numerosi risultati ottenuti dalla ricerca sono quindi da considerarsi solo come la superficie di un profondo mare magnum di informazioni che attendono di essere svelate. Solo un grande affinamento tecnico e teorico ci permetterà di scoprire e interpretare correttamente queste informazioni, aprendo completamente le porte di quella dinamica infrastruttura che sorregge la cognizione e definisce chi siamo più di quanto non facciano le impronte digitali dei polpastrelli o l’intero nostro genoma.
Modificando leggermente la frase pop di Sebastian Seung, professore di informatica e neuroscienze all’università di Princeton: ognuno è stato, è e sempre sarà principalmente il proprio connettoma.
Di Alessio Basti
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