La mappatura del cervelletto umano riprende le funzioni del cervello intero

Nuove mappe topografiche funzionali del cervelletto umano potrebbero essere un punto di svolta.

Fonte: per gentile concessione di Viking Adult

Il mio defunto padre, Richard Bergland, MD (1932-2007) ha pubblicato The Fabric of Mind nel 1986. Per la copertina del libro, papà ha insistito su una vista piana sagittale; gli piaceva come questo punto di vista chiarisse le principali regioni del cervello all’interno del cosiddetto “globo cranico”. Molte persone erroneamente pensano che il nostro “cervello” sia solo emisferi cerebrali destro e sinistro. Pertanto, mio ​​padre era sempre desideroso di mettere il cervelletto, spesso dimenticato, e le sue funzioni cerebellari sotto i riflettori. La vista sagittale facilita la visualizzazione di dove il “piccolo cervello” si inserisce in una struttura più ampia come parte della struttura dell’intero cervello.

Poiché il cervelletto è noto da tempo per coordinare i tempi e la precisione dei movimenti dei muscoli liquidi, è stato importante per me posizionare le funzioni motorie cerebellari come un giocatore centrale quando ho scritto il mio primo libro sull’ottimizzazione della mentalità atletica e delle prestazioni sportive. Fortunatamente, mio ​​padre si era ritirato a quel punto e aveva avuto il tempo di aiutarmi a creare un originale modello a cervello diviso orientato verso gli atleti. (Per ulteriori informazioni, “Il cervello diviso: un’ipotesi in continua evoluzione”)

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Nell’introduzione a The Athlete’s Way: Sweat and the Biology of Bliss (2007), fornisco alcuni dati sulla genesi di questo modello split-brain:

“Devo la mia carriera di atleta di resistenza alla mia comprensione della psicologia e della neurofisiologia, ma non sono uno scienziato. Sono un atleta. Anche se non ho avuto una formazione formale nelle scienze, sono cresciuto con le neuroscienze dato che mio padre è sia un neurochirurgo che un ricercatore neuroscientifico. Quando crescevo, le neuroscienze erano un argomento costante di conversazione e le discussioni con mio padre sono continuate nel corso degli anni. La Via dell’Atleta si basa sull’ipotesi che gli umani abbiano due cervelli: un cervello atletico che si sente e agisce come animale chiamato il cervelletto (latino per “piccolo cervello”), e un cervello umano che pensa e ragiona chiamato il cervello (latino per “cervello”). Mio padre e io ci riferiamo a questo modello cerebrale come “cervello cerebrale in su”. Il cervello su è il cervello, basato sulla sua posizione a nord del cervello medio, che è a metà strada tra i due cervelli. Il cervelletto è il cervello in basso, l’emisfero australe nel globo cranico, per così dire, basato sulla sua posizione a sud del cervello medio. I nomi semplici “cervello senza cervello” possono suonare grammaticalmente scorretti, ma sono una risposta diretta e convincente al modello del cervello diviso del cervello sinistro-destro. “Ho coniato i nuovi nomi nelle prime conversazioni con mio padre differenze tra il cervello e il cervelletto, e mi piace la nuova terminologia per la sua semplicità. ”

Quando ho disposto l’impaginazione del mio manoscritto, ho chiesto al progettista di libri della St. Martin’s Press di dedicare una pagina intera alla mappa cerebrale del cervelletto-cervelletto (sotto) da una vista sagittale in modo che i lettori generali potessero visualizzare il “piano superiore al piano di sotto” architettura di tutto il cervello. Questa fetta di cervello proveniva dal laboratorio di ricerca di mio padre e rispecchiava in certa misura la copertina del libro The Fabric of Mind .

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Questa mappa del cervello illustra le prime incarnazioni del “Modello del Cervello Spaccato di Bergland” e descrive vari ruoli ipotetici che ciascuna regione del cervello potrebbe svolgere all’interno di un sistema di corteccia cerebellare-cerebrale interconnessa. (Dalla pagina 81 di “The Athlete’s Way: Sweat and the Biology of Bliss”.)

Fonte: foto e layout di Christopher Bergland (Circa 2007)

Con retrospettiva, la mia mappa del cervello (sopra) è imbarazzantemente ipotetica e goffa. Ma le sue inesattezze e generalizzazioni servono uno scopo storico come parte di una timeline: la ragione per cui la sto condividendo qui è per illustrare il motivo per cui sono così eccitato dal design elegante e dai dettagli mozzafiato delle ultime mappe del cervelletto umano che sono state create di Xavier Guell al MIT insieme a Jeremy Schmahmann al Massachusetts General Hospital di Harvard, Catherine Stoodley alla American University e ai loro colleghi.

Detto questo, prima di immergersi nella neuroscienza grintosa delle ultime mappe del cervelletto, c’è un’altra storia narrativa in prima persona e una mappa del cervello fatta in casa che voglio condividere con voi come parte di una linea temporale che mette il loro lavoro pionieristico nel contesto.

Dopo che mio padre è morto nel 2007, ho fatto voto di tenere le mie antenne in attesa di qualche nuova ricerca sul cervelletto e fare del mio meglio per mordicchiare a risolvere l’enigma che ha detto dicendo: “Non sappiamo esattamente cosa sia il cervelletto sta facendo. Ma qualunque cosa stia facendo, ne sta facendo un sacco. ”

Poiché non faccio parte del mondo accademico e non appartengo a una comunità scientifica, la maggior parte delle mie idee originali sul cervelletto si basano sull’osservazione aneddotica e sull’esperienza di vita combinata con un miscuglio di prove empiriche. Una di queste osservazioni chiave era il collegamento tra attività motorie bipede e pensiero creativo. Ad esempio, Albert Einstein ha detto di E = mc², “Ho pensato a questo mentre guidavo la mia bicicletta”. Inoltre, innumerevoli scrittori e pensatori visionari nel corso della storia hanno reso le passeggiate quotidiane parte integrante del loro processo creativo. Nella mia mente, sembrava sempre che il cervelletto dovesse in qualche modo essere coinvolto nel fenomeno dell’attività motoria facilitando il pensiero divergente e l’ eureka! momenti.

Come triatleta diventato scrittore dopo essermi ritirato dalla competizione sportiva nella mezza età, ho saputo per esperienza diretta che correre, andare in bicicletta e nuotare mi ha aiutato a elaborare il linguaggio in modo più fluido. Ogni volta che stavo lavorando, le frasi e le varie combinazioni di parole di qualunque cosa stavo scrivendo come bozza di massima del giorno sembravano gonfiarsi in consapevolezza cosciente come un diagramma di flusso. Inoltre, ogni volta che ero in uno stato di sogno ad occhi aperti durante l’esercizio aerobico, mi sono ritrovato a collegare i punti di idee apparentemente non correlate in modi che non accadevano quando ero ancora seduto alla mia scrivania e non impegnato in una forma moderata-vigorosa attività fisica. (Per ulteriori informazioni, “The Neuroscience of Imagination.”)

Un giorno, nel 2009 (con tutte queste idee su un possibile collegamento tra la funzione cerebellare e le “origini dell’immaginazione” che mi fluttuavano nella testa), mi imbattei in un amico poeta di nome Maria per la strada. Durante la nostra conversazione sul misterioso legame tra innovazioni creative e compiti motori bipedi, ha detto: “Ogni volta che comincio a muovere le braccia e le gambe avanti e indietro sull’ellittico, la poesia si riversa fuori di me.” Improvvisamente, nel giro di millisecondi di Maria che pronunciava quelle parole , Ho avuto un ” aha! “Momento e visualizzò una mappa del cervello che simultaneamente mostrava entrambi gli emisferi del cervello e entrambi gli emisferi del cervelletto da una vista a volo d’uccello schiacciata su un piano. Così, mi sono precipitato a casa e ho disegnato la mappa che vedi qui sotto il più velocemente possibile. Sebbene questa non sia una visione sagittale, ha permesso allo spettatore di vedere simultaneamente entrambi gli emisferi del cervello e entrambi gli emisferi del cervelletto come parte della nostra architettura del cervello intero. (Per ulteriori informazioni, “I circuiti Cerebro-cerebellari ci ricordano: conoscere non è sufficiente.”)

Questa mappa topografica del cervello del circuito “cerebro-cerebellare” illustra l’importanza dell’ottimizzazione della connettività funzionale controlaterale tra gli emisferi cerebrali e gli emisferi cerebellari.

Fonte: foto e illustrazione di Christopher Bergland (Circa 2009)

L’essenza della mappa di tutto il cervello di cui sopra è stata ispirata dalla mia ipotesi basata sull’esperienza che pensieri e idee potrebbero essere trasportati sulle reti di connettività funzionale di anelli di feedback e feedback tra tutti e quattro gli emisferi cerebrali durante le attività motorie aerobiche.

Anche se ho disegnato questa mappa nel 2009, ero completamente all’oscuro che, allo stesso tempo, Jeremy Schmahmann e Catherine Stoodley avevano appena pubblicato quello che sarebbe diventato un punto di riferimento, “Topografia funzionale nel cervelletto umano: una meta-analisi del neuroimaging Studies “(2009), che è stato seguito nel 2010 dal loro articolo” Evidence for Topographic Organization in the Cerebellum of Motor Control Versus Cognitive and Affective Processing “.

Attraverso la lente delle mappe pionieristiche del cervelletto umano, gli ultimi mesi sono stati potenzialmente sconvolgenti. Innanzitutto, il più recente “Handbook of Clinical Neurology” (volume 154, 3a serie) include la mappatura del cervelletto di Stoodley e Schmahmann: “Capitolo quattro – Topografia funzionale del cervelletto umano”, che è stata pubblicata online l’11 giugno 2018.

Gli autori riassumono l’importanza di queste mappe cerebrali nello studio astratto, “L’accumulo di evidenze indica un ruolo critico per il cervelletto umano nei comportamenti motori e non motorio. Un principio fondamentale di questa nuova comprensione della funzione cerebellare è l’esistenza di sottoregioni funzionali all’interno del cervelletto che supportano in modo differenziale i comportamenti motori, cognitivi e affettivi. L’esistenza della topografia connessa e funzionale del cervelletto fornisce il substrato anatomico critico per un ruolo cerebellare nelle funzioni motorie e non motorie. Stabilisce anche una struttura per interpretare i modelli di attivazione del cervelletto, i risultati cognitivi e comportamentali a seguito del danno cerebellare e le differenze strutturali e funzionali del cervelletto riportate in una serie di disturbi neurosviluppo e neuropsichiatrici. ”

Didascalia foto da @MIINDLinkFound su Twitter 10 luglio 2018: “Nuovo volume sul cervelletto dai colleghi Mario Manto (Belgio) e Thierry Huisman (Baltimore). Grande line up di capitoli. Buono a scrivere di nuovo con l’ex docente Catherine Stoodley (American University) sulla topografia funzionale cerebellare. ”

Fonte: Schermata di Christopher Bergland (@MINDlink Immagine del capitolo 4 in “The Handbook of Clinical Neurology” Volume 154, Series 3)

Un’altra recente pietra miliare sulla timeline della mappatura del cervelletto è la pubblicazione di un documento di Xavier Guell, John Gabrieli e Jeremy Schmahmann, “Rappresentazione tripla del linguaggio, memoria di lavoro, elaborazione sociale ed emotiva nel cervelletto: prove convergenti da compito e seme – Analisi fMRI basate sullo stato di riposo in una singola coorte di grandi dimensioni. “Questo documento è stato il caso di copertina per il numero di maggio di NeuroImage riportato di seguito.

Gli autori riassumono il significato di questo articolo nello studio astratto, “Coerentemente con gli studi precedenti c’erano due distinte rappresentazioni di attivazione motoria. Recentemente sono state rivelate tre rappresentazioni distinte ciascuna per l’elaborazione del lavoro di memoria, lingua, sociale ed emotivo che erano ampiamente separate per questi quattro domini cognitivi e affettivi. Nella maggior parte dei casi, le attivazioni basate sul compito e le corrispondenti correlazioni della rete di riposo erano congruenti nell’identificare le due rappresentazioni motorie e le tre rappresentazioni non motorie che erano uniche nella memoria di lavoro, nella lingua, nella cognizione sociale e nelle emozioni. ”

Una mappa del cervello del cervelletto di Xavier Guell e colleghi è stata descritta nella copertina di NeuroImage del maggio 2018.

Fonte: NeuroImage / Elsevier (volume 172, 15 maggio 2018)

In un articolo del MIT News del luglio 2018, “Charting the Cerebellum”, il primo autore Xavier Guell del McGovern Institute of Brain Research del MIT, descrive la mappatura allo stato dell’arte del motore e delle funzioni non motorie nel cervelletto, “Neuroscienziati negli anni ’40 e ’50 descrivevano una doppia rappresentazione della funzione motoria nel cervelletto, il che significa che due regioni in ciascun emisfero del cervelletto sono impegnate nel controllo motorio. Che ci siano due aree di rappresentazione motoria nel cervelletto rimane uno dei fatti più consolidati della fisiologia della macroscala cerebellare. Il nostro studio supporta l’intrigante idea che mentre due parti del cervelletto sono simultaneamente impegnate in compiti motori, altre tre parti del cervelletto sono simultaneamente impegnate in compiti non motori. I nostri predecessori hanno coniato il termine “doppia rappresentazione motoria” e ora potremmo aggiungere “tripla rappresentazione non motoria” al dizionario delle neuroscienze cerebellari. ”

Guell ha partecipato a un altro studio recente che evidenzia come la connettività funzionale interrotta tra il cervelletto e il cervello possa essere collegata a disturbi dello spettro autistico ad alto funzionamento. Questa ricerca è stata condotta da Sheeba Arnold Anteraper (anch’essa del McGovern Institute for Brain Research del MIT) e pubblicata online prima della stampa, il 31 luglio 2018, sulla rivista Brain Connectivity .

Anteraper et al. spiegare il significato di questa ricerca nella conclusione del documento, “La descrizione delle anomalie di connettività funzionale riportate in questo studio utilizzando analisi interamente cerebrali e basate sui dati ha il potenziale per far progredire in modo cruciale lo sviluppo di biomarcatori ASD, obiettivi per interventi terapeutici e neuroni predittori per misurare la risposta al trattamento. ”

Inoltre, gli autori hanno affermato: “I risultati di questo studio supportano il coinvolgimento cerebellare nell’ASD e suggeriscono quindi una posizione potenzialmente rilevante di” dismetria del pensiero “come quadro concettuale per studi futuri che indagano sulla natura della sintomatologia ASD in psichiatria. Questa teoria sostiene che i sintomi motori, cognitivi e affettivi che derivano da anomalie cerebellari sono un riflesso di una singolare disfunzione neurologica. A livello fisiologico, la Dysmetria of Thought è basata sul concetto di una Trasformazione cerebrale universale, che ipotizza che un singolo processo neurologico asservisca la modulazione cerebellare del movimento, del pensiero e dell’emozione (Schmahmann, 1991, 1996; Schmahmann, 2010); vedi anche una recente recensione in Guell et al. (2018a).”

Infine, come ultima e più recente entrata in questa linea temporale, il 14 agosto 2018, un team collaborativo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology e del Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School (che comprendeva Xavier Guell, Jeremy Schmahmann, John Gabrieli, e Satrajit Ghosh) ha pubblicato un documento intitolato “Gradienti funzionali del cervelletto: un principio fondamentale di movimento-pensiero”.

Di nuovo, Guell et al. sottolineare il significato della loro nuova radicale ipotesi di “tripla non-rappresentazione”, “Questo è il primo studio per indagare la progressiva organizzazione gerarchica del cervelletto. In contrasto con la fondamentale e consolidata organizzazione gerarchica primitiva-unimodale-transmodale nella corteccia cerebrale (Mesulam, 1998, 2008), l’asse principale dell’organizzazione motoria e non motoria del cervelletto rimane sconosciuto. Descriviamo per la prima volta che le regioni funzionali cerebellari seguono un’organizzazione graduale che progredisce dalle regioni primarie (motorie) a quelle transmodali (DMN, task-unfocused). Inoltre, la relazione tra i due gradienti principali e le due aree di rappresentazione motoria e tre non motoria ha rivelato per la prima volta che ci sono differenze funzionali non solo tra i due motori ma anche tra le tre aree di rappresentazione non motoria. Un’ipotesi iniziale di romanzo riguardante la natura di queste differenze è generata dal fatto che l’elaborazione non motorizzata in lobuli IX / X (terza rappresentazione non meccanica) potrebbe condividere somiglianze funzionali con l’elaborazione motoria nel lobulo VIII (seconda rappresentazione motoria). ”

In chiusura, di seguito sono due delle ultime mappe del cervelletto di Guell et al. (2018) con gradienti funzionali. Secondo me, le informazioni contenute in queste mappe spostano la nostra visione del mondo delle funzioni del cervello intero in modi che potrebbero potenzialmente migliorare la vita e aiutare le persone di ogni ceto sociale a ottimizzare il loro pieno potenziale.

Figura uno

Gradienti e relazione tra cervelletto e mappe dell’attività fisica discreta (da Guell et al., 2018a) e mappe dello stato di riposo (da Buckner et al., 2011)

Fonte: Xavier Guell et al./eLife 2018 (Creative Commons)

Figura due

Gradiente 1 esteso dal task di lingua / DMN alle regioni motore. Memoria di lavoro a gradiente 2 / aree di rete frontali. (A) Atlante piatto planare e gradienti 1 e 2. (B) Un grafico a dispersione dei primi due gradienti. Ogni punto corrisponde a un voxel cerebellare, la posizione di ciascun punto lungo l’asse xey corrisponde alla posizione lungo il Gradiente 1 e il Gradiente 2 per quel voxel cerebellare, e il colore del punto corrisponde all’attività dell’attività (in alto) o alla rete dello stato di riposo (parte inferiore) ) associato a quel particolare voxel.

Fonte: Xavier Guell et al./eLife 2018 (Creative Commons)

Riferimenti

Catherine J. Stoodley e Jeremy D. Schmahmann. “Topografia funzionale nel cervelletto umano: una meta-analisi degli studi di neuroimaging”. NeuroImage (prima pubblicazione: gennaio 2009) DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2008.08.039

Catherine J. Stoodley e Jeremy D. Schmahmann. “Evidenza per l’organizzazione topografica nel cervelletto del controllo motorio rispetto al trattamento cognitivo e affettivo.” Cortex (Prima pubblicazione: gennaio 2010) DOI: 10.1016 / j.cortex.2009.11.008

Randy L. Buckner, Fenna M. Krienen, Angela Castellanos, Julio C. Diaz e BT Thomas Yeo. “L’organizzazione del cervelletto umano stimato dalla intrinseca connettività funzionale.” Journal of Neurofisiologia (Prima pubblicazione: 1 novembre 2011) DOI: 10.1152 / jn.00339.2011

Catherine J. Stoodley e Jeremy D. Schmahmann. “Capitolo 4 – Topografia funzionale del cervelletto umano.” Manuale di Neurologia clinica (Prima disponibile online: 11 giugno 2018) DOI: 10.1016 / B978-0-444-63956-1.00004-7

Xavier Guell, John Gabrieli e Jeremy Schmahmann. “Rappresentazione tripla del linguaggio, della memoria di lavoro, dell’elaborazione sociale ed emotiva nel cervelletto: prove convergenti del compito e analisi del fMRI allo stato di riposo basate sul seme in un’unica grande coorte” NeuroImage (pubblicato per la prima volta online il 2 febbraio 2018) DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2018.01.082

Sheeba Arnold Anteraper, Xavier Guell, Anila D’Mello, Neha Joshi, Susan Whitfield-Gabrieli e Gagan Joshi. “Connettività funzionale intrinseca cerebrale cerebrale interrotta in giovani adulti con disturbo dello spettro autistico ad alta funzionalità: uno studio di imaging funzionale a risonanza magnetica basato su risoluzione, ad alto contenuto cerebrale e ad alto contenuto temporale.” Brain Connectivity (Prima pubblicazione online: 31 luglio 2018) DOI 10.1089 / brain.2018.0581

Xavier Guell, Jeremy D. Schmahmann, John DE Gabrieli, Satrajit S. Ghosh. “Gradienti funzionali del cervelletto”. ELife (Prima pubblicazione: 14 agosto 2018) DOI: 10.7554 / eLife.36652