Gli studi sul cervelletto sfidano le nozioni antiche di come pensiamo

Dopo secoli di trascuratezza, il cervelletto sta ottenendo il dovuto riconoscimento.

L’illustrazione anatomica del cervello umano del primo Novecento (dal basso) mostra gli emisferi destro e sinistro sia del cervelletto che del cervello. “Cerebellar” è la parola sorella di “cerebrale” e significa “relativo o localizzato nel cervelletto”. “Cerebro-cerebellare” si riferisce generalmente alla connettività funzionale e all’interazione tra regioni specifiche del cervello e le sottoregioni del cervelletto.

Fonte: Wikipedia / Dominio Pubblico

Fino al 1998, la maggior parte dei neuroscienziati aderiva all’antica nozione secondo cui il cervelletto (in latino “piccolo cervello”) era responsabile solo delle funzioni motorie e non aveva nulla a che fare con la cognizione. Prima che Jeremy Schmahmann pubblicasse tre documenti back-to-back e rivoluzionari alla fine del ventesimo secolo, era opinione diffusa che il cervelletto umano sovrintendesse ai tempi e alla coordinazione dei movimenti muscolari perfezionati, ma non era assolutamente coinvolto in Pensiero cerebrale o pensieri cognitivi.

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I tre documenti fondamentali di Schmahmann sul ruolo del cervelletto umano nella cognizione alla fine degli anni ’90 erano: “Il sistema cerebrovascolare” (1997), “La sindrome affettiva cognitiva cerebellare” (1998) e “Dismetria del pensiero: conseguenze cliniche della disfunzione cerebellare sulla cognizione” e affetto “(1998).

Grazie agli sforzi pionieristici di Schmahmann e di altri pionieri del cervelletto negli ultimi due decenni, la concezione disinformata della “sola funzione motoria” del cervelletto è stata ridimensionata. Oggi, la maggior parte dei neuroscienziati concordano sul fatto che, oltre a una vasta gamma di funzioni motorie, il cervelletto è anche coinvolto in più funzioni cognitive, emotive, sociali e non motorie linguistiche. (Per ulteriori informazioni, “Da Vinci aveva ragione: il cervelletto merita più riconoscimento”).

La recente pubblicazione di due nuovi studi sul cervelletto di ultima generazione continua ad informare la nostra visione in continua evoluzione del “piccolo cervello” e di come tutto il cervello lavora in concerto per generare pensieri e coordinare il pensiero usando i cicli cortico-cerebellari e il cerebro – reti cerebellari.

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Il primo articolo del Baylor College of Medicine, “Un circuito cortico-cerebellare per la pianificazione motoristica”, è stato pubblicato il 17 ottobre sulla rivista Nature . Il secondo documento, condotto da ricercatori dell’Università di Washington a St. Louis e intitolato “Organizzazione spaziale e temporale del cervelletto umano individuale”, è stato pubblicato il 25 ottobre sulla rivista Neuron .

Questo post del blog è diviso in due parti che esplorano separatamente ciascuno di questi studi dell’ottobre 2018.

Parte prima: “Un ciclo cortico-cerebellare per la pianificazione motoristica” di Gao et al.

Cervelletto (in latino per “piccolo cervello”) in rosso.

Fonte: Database delle scienze della vita / Wikipedia Commons

Zhenyu Gao et al. hanno dimostrato che specifiche regioni del cervelletto sono attive nella memoria a breve termine, anche quando il corpo non è in movimento. Sorprendentemente, i ricercatori hanno trovato prove dirette usando un modello murino che l’attività della memoria nella corteccia frontale sembra dipendere dall’attività nel cervelletto.

Questo studio è stato condotto da una collaboratrice di ricerca internazionale guidata dallo scrittore anziano Nuo Li e dal suo team di laboratorio presso il Baylor College of Medicine di Houston, in Texas, insieme a neuroscienziati presso il Janelia Research Campus dell’Howard Hughes Medical Institute di Ashburn, in Virginia, e il primo autore Zhenyu Gao e colleghi del Centro medico universitario Erasmus di Rotterdam, Paesi Bassi.

L’aspetto più significativo dell’ultimo studio sul modello di topo del laboratorio Nuo Li è che i ricercatori sono stati in grado di concentrarsi sull’attività neurale nel cervelletto durante i periodi in cui un soggetto del test non si muoveva ma stava pensando alla sua prossima mossa.

Corteccia frontale in rosso.

Fonte: Database delle scienze della vita / Wikipedia Commons

“Sapevamo che la corteccia frontale e il cervelletto sono collegati anatomicamente tra loro”, ha detto Li in una dichiarazione. “Sapevamo anche che negli esseri umani, il danno cerebellare è noto per causare problemi di memoria o di pianificazione, quindi i due potrebbero essere collegati. Abbiamo scoperto che l’uscita del cervelletto colpisce la corteccia frontale e viceversa. Quando interrompiamo la comunicazione tra le due aree del cervello, l’attività della memoria viene interrotta. I nostri risultati mostrano che l’attività di orchestrazione di un singolo comportamento è coordinata da più regioni del cervello. ”

Per fare questa scoperta su come i cicli cortico-cerebellari funzionano durante l’apprendimento motorio, i ricercatori hanno addestrato i topi in un compito di apprendimento che richiedeva loro di prendere una decisione cognitiva basata sulla memoria a breve termine.

Gli autori concludono: “Nell’uomo, il danno cerebellare può causare difetti nella pianificazione e nella memoria di lavoro. Qui mostriamo che la rappresentazione persistente delle informazioni nella corteccia frontale durante la pianificazione motoria dipende dal cervelletto. I nostri risultati supportano l’idea che la dinamica neurale persistente durante la pianificazione motorio sia mantenuta da circuiti neurali che si estendono su più regioni cerebrali e che i calcoli cerebellari si estendano oltre il controllo motorio online “.

Il cervelletto è un giocatore centrale quando si tratta di prestazioni atletiche e sportive. “Il cervelletto è noto per guidare il nostro movimento imparando dagli errori”, ha spiegato Li in una dichiarazione. “Quando impariamo a sparare a un pallone, inizialmente abbiamo molti colpi mancati. Tuttavia, il cervello può regolare i nostri colpi regolando i nostri movimenti in base agli errori dei colpi mancati e alla fine producendo scatti accurati. È noto che il cervelletto è responsabile di questo apprendimento motorio. Combina gli errori dei movimenti mancati e il movimento che è stato fatto per produrre un movimento più preciso. ”

La prossima fase di ricerca del team di Li metterà alla prova se il cervelletto utilizza lo stesso processo di apprendimento “tentativi ed errori” che viene attivato durante l’apprendimento motorio negli sport per padroneggiare più attività cerebrali come giocare a scacchi.

Seconda parte: “Organizzazione spaziale e temporale del singolo cervelletto umano” di Marek et al.

Il comunicato stampa della Scuola di Medicina dell’Università di Washington a St. Louis che annuncia la pubblicazione di un nuovo studio sul cervelletto condotto dallo studioso post-laurea Scott Marek ha un titolo che attira l’attenzione: “Il centro di controllo della qualità della mente si trova in un’area del cervello ignorata da tempo: controlli del cervelletto e corregge pensieri, movimento. ”

Perché ho cercato (con scarso successo) di mettere il cervelletto spesso sottovalutato sotto i riflettori per oltre un decennio e sforzarmi di far diventare “cervelletto” una parola familiare, non ho potuto fare a meno di annuire con la testa e dire “Sì! Esattamente “ad alta voce mentre leggo il lede di questo comunicato stampa:

“Il cervelletto non può ottenere alcun rispetto. Situato in modo sconveniente sul lato inferiore del cervello e inizialmente pensato per essere limitato al controllo del movimento, il cervelletto è stato a lungo trattato come un ripensamento dai ricercatori che studiano funzioni cerebrali più elevate. Ma i ricercatori della Scuola di Medicina dell’Università di Washington a St. Louis sostengono che guardare il cervelletto è un errore. Le loro scoperte, pubblicate il 25 ottobre su Neuron , suggeriscono che il cervelletto ha una mano in ogni aspetto delle funzioni cerebrali superiori – non solo movimento, ma attenzione, pensiero, pianificazione e processo decisionale “.

Per questo studio, i ricercatori WUSTL del laboratorio Dosenbach hanno misurato i tempi dell’attività del cervello umano utilizzando la connettività funzionale MRI e hanno scoperto che i segnali dai sistemi sensoriali venivano elaborati in reti intermedie della corteccia cerebrale prima di essere inviati al cervelletto. In particolare, queste scansioni cerebrali mostrano che il cervelletto contiene un’organizzazione di rete specifica per individuo che è significativamente più varia rispetto alla corteccia cerebrale. Come spiegano gli autori:

“Studi di tracciamento seminale transneuronale hanno dimostrato che le regioni laterali posteriori del cervelletto formano circuiti a circuito chiuso con regioni del premotore, prefrontale e corteccia parietale posteriore nei macachi (Dum and Strick, 2003; Kelly and Strick, 2003; Strick et al ., 2009), fornendo un quadro anatomico per un ruolo putativo nei meccanismi di feedback adattativo per la modifica comportamentale del movimento e dei processi cognitivi. Pertanto, la caratterizzazione del cervelletto puramente come struttura motorio conservata è antiquata e imprecisa (Buckner, 2013; Caligiore et al., 2017; Fiez, 1996; Leiner et al., 1989; Schmahmann, 2004; Schmahmann et al., 2009; ; Strick et al., 2009). Sebbene studi precedenti abbiano fornito una struttura anatomica e funzionale per comprendere i contributi cerebellari alla funzione cerebrale, il grado di specificità individuale nell’organizzazione funzionale cerebellare è attualmente sconosciuto. ”

Marek et al. ipotizzano che, come parte di un ciclo cerebro-cerebellare, i segnali cerebrali subiscono controlli di qualità finali nel cervelletto prima di essere inviati alla corteccia cerebrale per l’implementazione. Gli autori hanno detto: “Data la presenza di anse cortico-cerebellari e il loro presunto ruolo nella segnalazione degli errori e nella plasticità adattiva, eravamo particolarmente interessati all’organizzazione temporale dell’attività infra-lenta (ISA) tra cervelletto e corteccia cerebrale”.

La ricerca di Marek ha portato alla luce una nuova sorprendente statistica: solo il 20 percento del cervelletto è dedicato esclusivamente alle funzioni motorie; il restante 80 percento sembra essere occupato da regioni cerebellari non motorizzate coinvolte nella cognizione di ordine superiore. “Le reti di funzioni esecutive sono molto rappresentate nel cervelletto”, ha detto Marek in una dichiarazione. “La nostra intera comprensione del cervelletto deve allontanarsi dal coinvolgimento nel controllo motorio per essere più coinvolto nel controllo generale della cognizione di livello superiore”.

“La più grande sorpresa per me è stata la scoperta che l’80% del cervelletto è dedicato alle cose intelligenti”, ha aggiunto l’autore senior Nico Dosenbach. “Tutti pensavano che il cervelletto riguardasse il movimento. Se il tuo cervelletto è danneggiato, non puoi muoverti agevolmente – la tua mano sobbalza quando cerchi di raggiungere qualcosa. La nostra ricerca suggerisce fortemente che, proprio come il cervelletto serve come controllo della qualità del movimento, controlla anche i tuoi pensieri – li appianta, li corregge, perfeziona le cose. ”

Un aspetto inaspettato di questa ricerca sul cervelletto è legato alla sensibilità dell’alcool del cervelletto. I ricercatori ipotizzano che il cattivo giudizio e la mancanza di controllo degli impulsi che si verifica dopo che qualcuno beve troppi alcolici possono essere radicati nel cervelletto. Tutti sanno che essere intossicati rende i movimenti fisici delle persone scomposti come contraddistinti da un linguaggio biascicato e dall’incapacità di camminare su una linea retta. È interessante notare che le ultime scoperte di Marek e del suo team suggeriscono che lo scarso processo decisionale alimentato dal consumo di alcol può essere un riflesso del cervelletto che perde la sua capacità di monitorare e controllare la qualità delle funzioni esecutive.

“Molte persone che stanno osservando i legami tra la funzione e il comportamento del cervello ignorano il cervelletto”, ha detto Dosenbach in una dichiarazione. “Tagliano fuori quei dati e li gettano via, perché non sanno cosa farne. Ma ci sono quattro volte più neuroni nel cervelletto come nella corteccia cerebrale, quindi se stai lasciando fuori il cervelletto, ti sei già sparato ai piedi prima di iniziare. La promessa di fotografare l’intero cervello umano contemporaneamente è capire come tutto funziona insieme. Non puoi vedere come funziona l’intero circuito quando ti manca un pezzo importante di esso. ”

Gli autori concludono, “[I nostri] risultati suggeriscono che una funzione di dominio generale del cervelletto potrebbe essere la correzione finale di tutti i processi motori e cognitivi corticali”.

Il passo successivo per Marek e il gruppo di ricerca nel laboratorio di Dosenback è quello di studiare in che modo le differenze individuali nella struttura cerebellare e nella connettività funzionale sono correlate con vari tipi di intelligenza, comportamento, tratti della personalità e disturbi psichiatrici.

Riferimenti

Scott Marek, Joshua S. Siegel, Evan M. Gordon, Ryan V. Raut, Dillan J. Newbold, Mario Ortega, Timothy O. Laumann, Derek B. Miller, Annie Zheng, Katherine C. Lopez, Jeffrey J. Berg, Rebecca S. Coalson, Annie L. Nguyen, Donna Dierker, Andrew N. Van, Catherine R. Hoyt, Kathleen B. McDermott, Scott A. Norris, Joshua S. Shimony, Abraham Z. Snyder, Steven M. Nelson, Deanna M. Barch, Bradley L. Schlaggar, Marcus E. Raichle, Steven E. Petersen, Deanna J. Greene, Nico UF Dosenbach. “Organizzazione spaziale e temporale del singolo cervelletto umano.” Neuron (Prima pubblicazione: 25 ottobre 2018) DOI: 10.1016 / j.neuron.2018.10.010

Zhenyu Gao, Courtney Davis, Alyse M. Thomas, Michael N. Economo, Amada M. Abrego, Karel Svoboda, Chris I. De Zeeuw e Nuo Li. “Un ciclo cortico-cerebellare per la pianificazione dei motori” Natura (Prima pubblicazione: 17 ottobre 2018) DOI: 10.1038 / s41586-018-0633-x

Jeremy D. Schmahmann e Deepak N.Pandyat. “The Cerebrocerebellar System.” International Review of Neurobiology (1997) DOI: 10.1016 / S0074-7742 (08) 60346-3

Jeremy D. Schmahmann e Janet C. Sherman. “La sindrome affettiva cognitiva cerebellare.” Cervello: un diario di neurologia (1998) DOI: 10.1093 / cervello / 121.4.561

Jeremy D. Schmahmann. “Dysmetria del pensiero: conseguenze cliniche della disfunzione cerebellare sulla cognizione e l’affetto”. Tendenze nelle scienze cognitive (1998) DOI: 10.1016 / S1364-6613 (98) 01218-2