Lo Sleep Connectome

Fonte: By Andreashorn (Opera propria) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons

I progressi nelle neuroscienze spesso emergono quando si sviluppano nuovi metodi di analisi e visualizzazione dell'anatomia e della funzione del sistema nervoso. Ad esempio, il campo emergente delle neuroscienze era molto avanzato dallo sviluppo e dall'uso di macchie che rendevano possibile visualizzare singoli neuroni nel sistema nervoso. Ciò a sua volta ha permesso di iniziare a comprendere questi componenti fondamentali delle reti neurali. Lo studio degli effetti cognitivi, motori ed emotivi di vari insulti al cervello e al sistema nervoso come lesioni alla testa, malattie come la sclerosi multipla e danni dovuti a ictus è stato avanzato con l'uso di test neuropsicologici che hanno aiutato a identificare e quantificare gli effetti di queste lesioni. Lo sviluppo dell'elettroencefalogramma (EEG) negli anni '20 ha aiutato scienziati e medici a comprendere meglio l'attività elettrica della corteccia cerebrale. Ciò ha portato a progressi nella diagnosi di disturbi cerebrali come l'epilessia. Dagli anni '70 sono stati fatti sforzi per utilizzare i modelli EEG per comprendere le interconnessioni dei centri neurali nella corteccia usando un metodo denominato Elitentenografia quantistica (QEEG). Lo sviluppo di TAC, risonanza magnetica, risonanza magnetica funzionale e altre tecniche di imaging negli ultimi decenni ha notevolmente contribuito alla crescente comprensione della funzione del sistema nervoso consentendo la visualizzazione delle strutture cerebrali negli organismi viventi e mostrando le attività funzionali di questi centri. Usando questi metodi, è possibile creare mappe del cervello che mettono in relazione anatomia e funzione.

Ciò che è emerso da questa ricerca è che il potere del cervello non risiede nei singoli centri neuronali ma nell'attività sincronizzata di questi centri. I sistemi di neuroni svolgono i compiti sottostanti che sono poi coordinati e danno origine a cognizione, emozione e comportamento.

Nella prima parte del secolo scorso si riteneva che il sonno si fosse verificato quando la stimolazione dai sensi smetteva di fluire verso la corteccia cerebrale. Questa visione del sonno come processo passivo sembrava avere un senso in quanto le persone e gli animali in genere hanno bisogno di essere sicuri e rilassati in un ambiente di bassa stimolazione per scivolare facilmente nel sonno. La ricerca iniziata negli anni '40 ha gradualmente sfidato questo modello. Ora si riconosce che il sonno è in realtà un processo complesso e richiede molti sistemi neurali per realizzarlo. Non è passivo, ma è davvero un processo molto attivo e complesso. Il fatto che sia così complesso e debba essere regolato in modo così preciso significa che molto può andare storto, causando i vari disturbi del sonno.

Nella vita di tutti i giorni ci sono tre stati di elaborazione mentale che si verificano regolarmente. Questi sono veglia, sonno profondo e sonno REM. L'inizio del sonno si basa sull'accumulo di sonno durante il giorno e sugli effetti regolatori del ritmo circadiano. L'alterazione tra sonno profondo e sonno REM è regolata da complessi sistemi cerebrali che lavorano per dare il giusto equilibrio tra loro e portare a un efficace ripristino del sistema nervoso e del corpo in modo che la mente / il corpo possano operare a livelli ottimali durante il giorno.

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All'interno del cervello ci sono percorsi che consentono l'interazione e la coordinazione dei sistemi neurali nelle parti anteriore e posteriore del cervello, negli emisferi destro e sinistro e nei centri superiori e inferiori. Con il riconoscimento dell'importanza di questa interazione, sono stati fatti sforzi crescenti per rintracciare le componenti funzionali e strutturali del cervello. Il potere del sistema nervoso risiede nel complesso coordinamento delle attività di un enorme numero di singoli neuroni. Questa idea è stata ampiamente esaminata nella sezione speciale del numero di novembre 2013 della rivista Science, intitolata "The Heavily Connected Brain" (Vedi Markov et al, 2013; Park & ​​Friston, 2013; Stern, 2013; Turk-browne, 2013) . È ora possibile tracciare la connettività tra i neuroni e utilizzare nuove tecniche analitiche come la teoria delle reti per comprendere i meccanismi sottostanti della struttura e della funzione nelle grandi reti neurali. Questi metodi stanno aiutando a capire come sia possibile che una struttura fissa come il cervello possa dare origine a tanta diversità funzionale. Mentre il cervello è una struttura fissa, può essere in diversi stati come la veglia e il sogno. Ciò è dovuto ai modi vari e complessi in cui i percorsi neurali sottostanti interagiscono.

Connectomics si basa sui recenti progressi nella mappatura e nell'analisi delle reti neurali. Viene spesso paragonato agli sviluppi della genomica. Un connettogramma è una visualizzazione grafica delle connessioni tra le aree del cervello rivelate dalla risonanza magnetica e analizzate con la teoria dei grafi. Viene tipicamente rappresentato come un cerchio con interconnessioni disegnate tra aree rappresentative sul cerchio che denotano strutture cerebrali. Potresti aver visto questi diagrammi circolari in articoli che mostrano la forza delle relazioni tra varie aree del cervello. Un recente esempio è stato il risultato ampiamente riportato di uno studio sugli effetti della psilocibina sul farmaco psichedelico sul funzionamento del cervello (Petri et al, 2014). In breve, lo studio ha rilevato che la psilocibina causa un aumento e una diversa integrazione di alcune aree del cervello rispetto allo stato non drogato. Ciò aiuta a spiegare gli stati mentali profondi che questo farmaco è segnalato causare.

Un connectome è una mappa di connessioni neurali nel cervello e mostra connessioni mappate su una rappresentazione del cervello. Un esempio è l'immagine nella parte superiore di questo post. Una visualizzazione come questa viene prodotta con un'immagine del tensore di diffusione che utilizza la risonanza magnetica funzionale per identificare i tratti degli assoni osservando la diffusione delle molecole d'acqua in questi tratti (Purves et al, 2012). Una delle sfide dell'utilizzo di queste mappe è che cambiano costantemente, a seconda dello stato e delle esperienze dell'organismo. Il connettoma di una persona addormentata nel sonno profondo sarà diverso da quello di un individuo attento, concentrato, sveglio poiché i sistemi neurali sottostanti interagiscono in modi diversi in base a questi diversi stati. I connettivi sono stati usati per studiare le differenze tra cervelli maschili e femminili, tratti umani positivi e negativi, e sono attualmente oggetto di indagine in uno sforzo di ricerca su larga scala noto come Human Connectome Project che è sostenuto dal National Institutes of Health.

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Il lavoro recente ha iniziato a mappare il sonno connectome (Vyazovskly, 2015), inizialmente guardando il sonno negli animali. Ciò sta contribuendo a chiarire ulteriormente i complessi meccanismi che consentono le transizioni fluide dalla scia al sonno profondo al sonno REM. Sta anche aiutando ad aumentare la comprensione di come il sonno si sviluppa presto nella vita degli animali, a partire prima della nascita. Ad esempio, è stata trovata una specifica popolazione di neuroni nel cervello posteriore che si sviluppa nelle sottopopolazioni di cellule che alla fine contribuiscono ai circuiti veglia / sonno (Hayashi, et al, 2015). Ciò si verifica molto presto nello sviluppo prima che gli stati di veglia e sonno siano emersi.

Il Progetto Human Connectome, come il Progetto Genoma Umano prima di esso, promette di aumentare notevolmente la nostra comprensione della struttura e della funzione del cervello. Sono particolarmente eccitato dalla possibilità che ci aiuti a comprendere meglio i modi in cui il cervello determina e regola gli stati di coscienza come la veglia e il sonno. Tale comprensione può aiutare nello sviluppo di trattamenti più efficaci dei disturbi del sonno – qualcosa che molti dei nostri amici con problemi di sonno apprezzeranno!

Hayashi, Y., Kashiwagi, M., Yasuda, K., Ando, ​​R., Kanuka, M., Sakai, K., e Itohara, S. (2015). Le cellule di un'origine di sviluppo comune regolano il sonno REM / non-REM e la veglia nei topi. Science , 20 novembre 2015, 350 (6263), 957 – 961.

Markov, NT, Ercsey-Ravasz, M., Van Essen, DC, Knoblauch, K. Toroczkal, Z., e Kennedy, H. (2013). Architetture controsenso ad alta densità corticale. Scienza , 1 novembre 2013, 342 (6158), p. 578.

Park, HJ e Friston, K. (2013). Reti cerebrali strutturali e funzionali: dalle connessioni alla cognizione. Scienza , 1 novembre 2013, 342 (6158), p. 579.

Petri G, Esperto P, Turkheimer F, Carhart-Harris R, Nutt D, Hellyer PJ, Vaccarino F. (2014). Scappaggi omologici di reti funzionali cerebrali. JR Soc. Interfaccia 11 : 20140873. http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2014.0873

Purves, D., Augustine, GJ, Fitzpatrick, D., Hall, WC, LaMantia, AS, White, LE (Eds.). (2012). Neuroscience 5th Edition , Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Stern, P. (2013). Connessione, connessione, connessione …. Scienza , 1 novembre 2013, 342 (6158), p. 577.

Turk-Browne, NB (2013). Interazioni funzionali come grandi dati nel cervello umano. Scienza , 1 novembre 2013, 342 (6158), p. 580 – 584.

Vyazovskiy, VV (2015). Mappatura della nascita del connettoma del sonno. Scienza , 20 novembre 2015, 350 (6263), p. 909 – 910.