Utilizzati dati di risonanza magnetica ad alta risoluzione per lo studio dello sviluppo del cervello umano nei momenti chiave dell'utero e dopo la nascita
Lo sviluppo perinatale e postnatale precoce della superficie corticale è essenziale per stabilire capacità e comportamenti cognitivi che potrebbero avere un impatto sull'intera vita. Indagare sulla regionalizzazione dello sviluppo e sui modelli della superficie corticale durante questa età critica può far avanzare la nostra comprensione dei meccanismi alla base del normale sviluppo cerebrale.
Gli scienziati dell'University of North Carolina School of Medicine hanno mappato la superficie della corteccia del giovane cervello umano con una risoluzione senza precedenti, rivelando lo sviluppo di regioni funzionali chiave da due mesi prima della nascita a due anni dopo.
La nuova mappatura dello sviluppo corticale, riportata da Proceedings of the National Academy of Sciences (1), rappresenta una risorsa preziosa per ulteriori ricerche sullo sviluppo del cervello e offre un nuovo potente approccio allo studio delle condizioni dello sviluppo cerebrale come l'autismo e la schizofrenia.
«Questi risultati forniscono un riferimento importante per esplorare e comprendere le dinamiche dello sviluppo precoce del cervello», ha affermato l'autore senior dello studio Gang Li PhD (2), professore associato di radiologia presso la UNC School of Medicine. La prima autrice dello studio è stata Ying Huang (3), un dottorando nel laboratorio di Gang Li.
La corteccia è un foglio di cellule cerebrali che avvolge gran parte del resto del cervello. La regione del cervello più evolutivamente avanzata, è proporzionalmente più grande negli esseri umani rispetto ad altri mammiferi ed è responsabile di funzioni più elevate e tipicamente umane, comprese le abilità linguistiche e il ragionamento astratto.
Il terzo trimestre di gravidanza durante i primi due anni di vita è il periodo più dinamico nello sviluppo corticale. La corteccia si ispessisce notevolmente durante questo intervallo e cresce a un ritmo ancora più veloce in termini di superficie, formando complicate pieghe corticali.
Le interruzioni dell'ispessimento e dell'espansione corticale in questa fase sono state collegate all'autismo e alla schizofrenia. Tuttavia, i neuroscienziati non hanno avuto una comprensione così dettagliata di questa fase di sviluppo come vorrebbero. In particolare, hanno avuto bisogno di una mappatura più completa e ad alta risoluzione, attraverso la fascia di età dal feto al bambino, che divida o “parcella” la corteccia in via di sviluppo in regioni distinte con i propri tassi di crescita, in particolare la crescita della superficie aliquote.
Nello studio, il dottor Li e colleghi hanno eseguito proprio una tale mappatura. Per prima cosa hanno raccolto una serie di 1.037 scansioni di risonanza magnetica (MRI) di alta qualità di bambini nell'intervallo di età compreso tra il terzo trimestre e i due anni. Le scansioni provenivano da altri due progetti di ricerca, l'UNC/UMN Baby Connectome Project (BCP) e il Developing Human Connectome Project. Il team ha analizzato i dati di scansione utilizzando metodi computerizzati di elaborazione delle immagini all'avanguardia, dividendo essenzialmente la superficie corticale in una rete virtuale contenente migliaia di minuscole aree circolari e calcolando il tasso di espansione della superficie per ciascuna di queste aree.
L'analisi non è iniziata con ipotesi sulla posizione delle strutture cerebrali o delle regioni funzionali, ma questa regionalizzazione del cervello è risultata comunque evidente dalle mappe risultanti, basate esclusivamente sulle diverse velocità con cui le aree della superficie si sono espanse. In tutto, i ricercatori hanno definito 18 regioni distinte, che hanno trovato ben correlate con ciò che è già noto sulle regioni funzionali della corteccia in via di sviluppo.
«Tutte queste regioni mostrano un'espansione drammatica della superficie durante questa fase di sviluppo, con ciascuna regione che ha una traiettoria distinta», ha detto Li.
Le mappe hanno rivelato che ogni regione tendeva ad avere lo stesso percorso di sviluppo della sua controparte nell'emisfero opposto della corteccia. Anche le differenze di sesso erano evidenti. Anche quando si controllano le differenze di sesso nell'area complessiva della superficie - i cervelli maschili hanno un'area maggiore - sono rimaste differenze in più regioni. Ad esempio, la regione prefrontale mediale nell'emisfero sinistro, che si ritiene ospiti funzioni importanti come l'attenzione e la memoria di lavoro, è diventata proporzionalmente più grande nei maschi all'inizio del secondo anno di vita postnatale.
L'analisi ha anche mostrato che i modelli di espansione della superficie corticale in questo primo periodo di vita erano molto diversi dai modelli di sviluppo dello spessore corticale, suggerendo che queste due misure di sviluppo del cervello coinvolgono meccanismi distinti.
«Tutto sommato», ha detto Gang Li, «la mappatura fornisce nuove informazioni fondamentali sullo sviluppo del cervello».
Il dottor Lui e il suo team stanno pianificando di estendere questo approccio con set di dati di scansione MRI che iniziano in età precoce e terminano in età più avanzata. Sperano anche di studiare alla fine i set di dati di scansione che coprono i bambini aventi lo spettro dell'autismo o altre condizioni dello sviluppo neurologico. Tali analisi potrebbero offrire non solo indizi sull'origine di queste condizioni, ma anche l'identificazione di segni precoci o biomarcatori, che in futuro potrebbero essere utilizzati per somministrare trattamenti precoci e più efficaci.
Il documento PNAS intitolato “Mapping developmental regionalization and patterns of cortical surface area from 29 post-menstrual weeks to 2 years of age” è stato redatto con la collaborazione di: Ying Huang, Zhengwang Wu, Fan Wang, Dan Hu, Tengfei Li, Lei Guo, Li Wang, Weili Lin e Gang Li. All'UNC-Chapel Hill, le scansioni MRI BCP sono state condotte presso il Centro di imaging della ricerca biomedica dell'UNC (BRIC), guidato da Weili Lin, PhD.
Il finanziamento è stato fornito dal National Institutes of Health (MH116225, MH117943, MH109773, MH123202, 1U01MH110274) e dall'UNC/UMN Baby Connectome Project Consortium.
Riferimenti:
(2) Gang Li
(3) Ying Huang
Descrizione foto: Le superfici corticali cerebrali sono rappresentate da maglie triangolari. L'area della superficie di ciascun vertice (ad esempio, il punto rosso) è un terzo della superficie totale dei suoi triangoli adiacenti a un anello (l'esagono rosso). - Credit: UNC School of Medicine.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists Create New Map of the Developing Cerebral Cortex