“Shape is function. La forma fa la funzione“, ripeteva come un mantra la mia Prof di Biologia. Questa, infatti, è una regola fondamentale dei sistemi biologici, macro e microscopici. Il suo significato è che le caratteristiche fisiche e anatomiche di un qualsivoglia sistema, che sia una cellula, il becco di un uccello, un organo, un enzima o un cervello, ne determinano in larga parte anche la funzionalità.
La geometria cerebrale e la sua influenza sull’attività neuronale
Un esempio dell’applicazione di questa regola proviene da uno studio pubblicato sulla rivista Nature (Castelvecchi, 2023), il quale suggerisce che la forma del cervello umano -ovvero i solchi e le circonvoluzioni che gli conferiscono il suo tipico aspetto rugoso “a mallo di noce”- oltre a permettere una maggiore superficie funzionale dello stesso a dispetto della limitata capienza permessa dalla rigidità del cranio, svolgono un ruolo importante anche sull’attività cerebrale stessa. Più o meno allo stesso modo in cui la forma di uno strumento musicale è in grado di influenzare la qualità del suono che se ne ottiene.
L’autore dello studio ha messo a confronto tra loro l’attività delle due componenti principali della struttura fisica del cervello: la corteccia -l’area in cui si verifica la maggior parte dell’attività cerebrale di livello superiore- e il connettoma, ovvero quella complessa rete di fasci nervosi che mette in collegamento tra loro regioni cerebrali distinte.
L’idea era di provare a capire in che modo l’attività cerebrale viene influenzata da ciascuna di queste aree e, soprattutto, con quale “peso”.
Sicché, partendo dalla considerazione che buona parte dei fenomeni fisici è correlabile e dunque descrivibile attraverso un’onda (sismica, elettromagnetica, sonora, etc.) e che tutti questi fenomeni sono misurabili e studiabili attraverso una stessa equazione matematica, lo studioso ha pensato di sfruttare per il suo studio proprio la Teoria Matematica delle Onde.
Questa, nota come “equazione D’Alembert“, consente infatti di calcolare le caratteristiche fisiche delle onde che si rifrangono su una superficie, basandosi esclusivamente sulla geometria di quell’oggetto, la quale, dunque, sarebbe in grado di influenzarne il moto di propagazione. Il che equivale a dire che la forma di un oggetto è direttamente correlabile alla sua funzione.
Del tutto in linea con le aspettative di partenza, i risultati di questo lavoro hanno effettivamente dimostrato come, a differenza di quanto finora ipotizzato, è la struttura stessa della corteccia, più che non il connettoma, ad avere il ruolo di maggior rilievo nel guidare e influenzare l’attività cerebrale individuale.
Cosa è l’equazione D’Alembert?
L’equazione di D’Alembert è una forma della classica equazione delle onde e prende il nome dal matematico e fisico francese Jean le Rond d’Alembert. È utilizzata per descrivere la propagazione di onde (meccaniche, acustiche, elettromagnetiche, ecc.) in spazi 1D, 2D o 3D.
Nel contesto dello studio sulla corteccia cerebrale, l’equazione di D’Alembert è stata usata per modellare la propagazione dell’attività neurale sulla superficie corticale come se fosse un’onda fisica. Questo approccio permette di:
- Simulare come la forma (la geometria corticale) influenza il modo in cui l’attività si diffonde;
- Evidenziare modalità proprie di oscillazione (eigenmode) che dipendono unicamente dalla struttura fisica;
- Semplificare la descrizione dell’attività cerebrale senza fare ricorso diretto alla complessità della connettività sinaptica.
L’equazione permette quindi di: prevedere il comportamento dinamico dell’attività cerebrale in diverse aree, distinguere l’influenza della forma cerebrale da quella delle connessioni neurali e, potenzialmente, individuare biomarcatori geometrici per diverse patologie neurologiche.
Approfondimenti e implicazioni
Lo studio ha dunque utilizzato un approccio matematico per analizzare come le onde di attività neurale si propagano attraverso la superficie cerebrale. I ricercatori hanno scoperto che le cosiddette “eigenmode geometriche” -modelli di attività neurale derivati dalla forma della corteccia- forniscono una rappresentazione più accurata e parsimoniosa dei pattern di attività cerebrale rispetto alle “eigenmode del connettoma“, che si basano invece sulla connettività strutturale del cervello.
In particolare, le eigenmode geometriche con lunghezze d’onda superiori a 40 millimetri hanno mostrato una notevole accuratezza nella ricostruzione dell’attività cerebrale durante stati di riposo e durante l’esecuzione di vari compiti cognitivi, emotivi, sensoriali e motori. Questo suggerisce che la forma della corteccia cerebrale impone vincoli fondamentali sull’organizzazione funzionale del cervello.
Inoltre, l’organizzazione funzionale di strutture sottocorticali come l’ippocampo, il talamo e lo striato è stata fortemente predetta dalla loro geometria, indicando che la forma potrebbe universalmente influenzare la dinamica cerebrale in diverse aree anatomiche .
Conclusioni
Questi risultati sfidano l’idea tradizionale che la funzione cerebrale sia principalmente determinata dalla connettività strutturale. Invece, evidenziano l’importanza della geometria cerebrale nel modellare l’attività neurale. Comprendere come la forma del cervello influenzi la sua funzione potrebbe avere implicazioni significative per la nostra comprensione delle neuroscienze e per lo sviluppo di interventi terapeutici mirati.
Riferimenti bibliografici
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Castelvecchi, D. (2023). The human brain’s characteristic wrinkles help to drive how it works. Nature. https://www.nature.com/articles/d41586-023-01774-8
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Dynamics of cortical activity eigenmodes including standing, traveling, and rotating waves.
Physical Review E, 98(4), 042413. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.98.042413