Il professore Pulin Gong
Caratterizzando le fluttuazioni momento per momento dei segnali di risonanza magnetica funzionale corticale umana, si dimostra che i modelli di onde rotazionali simili a spirali (spirali cerebrali) sono diffusi sia durante gli stati di attività cognitiva che di riposo
L'attività su larga scala del cervello umano mostra schemi ricchi e complessi, ma le dinamiche spaziotemporali di questi schemi e i loro ruoli funzionali nella cognizione rimangono poco chiari. Gli scienziati dell'University of Sydney e della Fudan University hanno scoperto segnali del cervello umano che viaggiano attraverso lo strato esterno del tessuto neurale disponendosi naturalmente per assomigliare a spirali vorticose.
La ricerca, pubblicata su Nature Human Behaviour (1), indica che queste spirali onnipresenti, che sono segnali cerebrali osservati sulla corteccia durante gli stati di riposo e cognitivi, aiutano a organizzare l'attività cerebrale e l'elaborazione cognitiva.
L'autore senior, il professore associato Pulin Gong (2), della Scuola di Fisica della Facoltà di Scienze (3), ha affermato che la scoperta potrebbe avere il potenziale per far avanzare potenti macchine informatiche ispirate agli intricati meccanismi del cervello umano.
La scoperta apre nuove strade per capire come funziona il cervello e fornisce preziose informazioni sulle funzioni fondamentali del cervello umano. Potrebbe aiutare i ricercatori medici a comprendere gli effetti delle malattie del cervello, come la demenza, esaminando il ruolo che svolgono.
Il dottor Pulin Gong, membro del gruppo di ricerca sui sistemi complessi in fisica, spiega: «Il nostro studio suggerisce che ottenere informazioni su come le spirali sono correlate all'elaborazione cognitiva potrebbe migliorare significativamente la nostra comprensione delle dinamiche e delle funzioni del cervello. Questi schemi a spirale mostrano dinamiche intricate e complesse, muovendosi attraverso la superficie del cervello mentre ruotano attorno a punti centrali noti come singolarità di fase. Proprio come i vortici agiscono in turbolenza, le spirali si impegnano in articolate interazioni, svolgendo un ruolo cruciale nell'organizzazione delle complesse attività del cervello. Le intricate interazioni tra più spirali coesistenti potrebbero consentire ai calcoli neurali di essere condotti in modo distribuito e parallelo, portando a una notevole efficienza computazionale».
Lo studente di dottorato Yiben Xu, l'autore principale della ricerca della School of Physics, ha affermato che la posizione delle spirali sulla corteccia potrebbe consentire loro di collegare l'attività in diverse sezioni, o reti, del cervello, fungendo da ponte di comunicazione. Molte delle spirali sono abbastanza grandi da coprire più reti.
La corteccia del cervello, nota anche come corteccia cerebrale, è lo strato più esterno del cervello che è responsabile di molte funzioni cognitive complesse, tra cui la percezione, la memoria, l'attenzione, il linguaggio e la coscienza.
Secondo Yiben Xu, «Una caratteristica chiave di queste spirali cerebrali è che spesso emergono ai confini che separano le diverse reti funzionali nel cervello. Attraverso il loro movimento rotatorio, coordinano efficacemente il flusso di attività tra queste reti. Nella nostra ricerca abbiamo osservato che queste spirali cerebrali interagenti consentono una riconfigurazione flessibile dell'attività cerebrale durante vari compiti che coinvolgono l'elaborazione del linguaggio naturale e la memoria di lavoro, che ottengono cambiando le loro direzioni di rotazione».
Gli scienziati hanno raccolto le loro scoperte dalle scansioni cerebrali di risonanza magnetica funzionale (fMRI) di 100 giovani adulti, che hanno analizzato adattando i metodi utilizzati per comprendere i complessi modelli di onde in turbolenza.
La neuroscienza si è tradizionalmente concentrata sulle interazioni tra i neuroni per comprendere la funzione cerebrale. C'è un'area scientifica in crescita che esamina processi più ampi all'interno del cervello per aiutarci a comprenderne i misteri.
«Svelando i misteri dell'attività cerebrale e scoprendo i meccanismi che ne governano il coordinamento, ci stiamo avvicinando a sbloccare il pieno potenziale della comprensione della cognizione e della funzione cerebrale», conclude il professore associato Gong.
Riferimenti:
(2) Pulin Gong
(3) School of Physics - Faculty of Science
Descrizione foto: Molteplici spirali interagenti organizzano il flusso dell'attività cerebrale. / Il professore Pulin Gong - Credit: Gong et al. & Pulin Gong/University of Sydney
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists discover spiral-shaped signals that organise brain activity