Lo studio dell'Alzheimer collega la triade delle aree cerebrali con la cognizione

Scansioni cerebrali di pazienti con malattia di Alzheimer e altri a rischio per il disturbo hanno portato all'identificazione di tre modelli di fattori di atrofia, creati utilizzando la modellizzazione matematica. Sulla base della perdita di volume di materia grigia in queste tre aree principali del cervello, i ricercatori hanno identificato una correlazione tra i modelli di atrofia e sintomi specifici di Alzheimer che si verificano in vari pazienti.

Fonte: Xiuming Zhang, National University of Singapore, usato con permesso.

Un nuovo studio pubblicato online oggi negli Atti della National Academy of Sciences riporta che modelli distinti di atrofia all'interno di tre diverse aree cerebrali (corticali, sottocorticali o temporali) potrebbero aiutare a spiegare come la perdita di varie abilità cognitive si manifesti in pazienti con diagnosi di Alzheimer malattia (AD).

Per questo studio, un team di ricercatori del Massachusetts General Hospital (MGH) presso la Harvard Medical School e la National University of Singapore (NUS) hanno utilizzato modelli matematici per individuare in che modo diverse regioni del cervello, alcune delle quali non sono tipicamente legate alla cognizione, possono avere un impatto abilità cognitive.

Il cervelletto (in latino "piccolo cervello") in rosso è un'area cerebrale sottocorticale.

Fonte: database Life Science / Wikimedia Common

Ad esempio, il cervelletto (latino per "piccolo cervello") è stato storicamente pensato dall'istituzione medica come responsabile unicamente di attività "non-pensanti" come la coordinazione muscolare fine-tuning. Questa nuova ricerca suggerisce che il cervelletto possa, in effetti, svolgere un ruolo importante nella funzione cognitiva o nella degenerazione della funzione esecutiva e della memoria.

In una dichiarazione al Massachusetts General Hospital, Thomas Yeo, Assistant Professor presso il Dipartimento NUS di Electrical and Computer Engineering e il MGH Laboratory for Computational Neuroimaging, ha dichiarato:

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"La gravità dei sintomi e la neurodegenerazione possono variare ampiamente tra i pazienti nella malattia di Alzheimer. Il nostro lavoro mostra che i partecipanti a questo studio presentano almeno tre modelli di atrofia – corticale, temporale o subcorticale – associati a variabilità del declino cognitivo non solo nei pazienti con diagnosi di Alzheimer ma anche in individui con decadimento cognitivo lieve o quelli cognitivamente normali ma sono a rischio per l'Alzheimer ".

La ricerca di Yeo si concentra sullo sviluppo di algoritmi di apprendimento automatico per l'analisi su larga scala di dati di imaging cerebrale complessi e ad alta risoluzione. Questi modelli matematici computazionali consentono ai ricercatori di caratterizzare il modo in cui i vari sistemi cerebrali supportano la cognizione.

Per questo recente studio, Yeo e colleghi hanno analizzato i dati raccolti come parte della Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (ADNI). Lo studio ha incluso un totale di 379 partecipanti: 188 erano stati diagnosticati con malattia di Alzheimer, 147 con lieve deficit cognitivo, e 43 che non erano affetti da insufficienza cognitiva, ma con un rischio più elevato di placche di beta-amiloide associate allo sviluppo della malattia di Alzheimer.

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Come primo passo verso la creazione di modelli matematici, il team di ricerca ha analizzato i dati provenienti da risonanza magnetica strutturale di base. Queste neuroimmagini aiutarono a stimare la probabilità che l'atrofia in una particolare regione del cervello fosse legata a specifici cambiamenti nella funzione esecutiva e nella memoria. In base alla posizione dei fattori di atrofia, i ricercatori hanno determinato una correlazione associata a una combinazione di tre diversi modelli di atrofia.

Tre modelli di atrofia e aree cerebrali associate alla malattia di Alzheimer

1. Corticale: indica atrofia in tutta la corteccia cerebrale (aree cerebrali nel cervello , latino per "cervello").
2. Sottocorticale : indica atrofia nel cervelletto, nello striato e nel talamo. (Aree cerebrali alla base del cervello).
3. Temporale: indicazione dell'atrofia della corteccia temporale mediale, dell'ippocampo e dell'amigdala (aree cerebrali nel lobo corticale dietro le orecchie).

Tutte e tre le aree del cervello sono state associate alla funzione esecutiva e al declino della memoria in tutto lo spettro clinico. Il fattore corticale era fortemente associato al declino della funzione esecutiva. Il fattore temporale ha mostrato la più forte associazione con la memoria. Il fattore subcorticale era associato al declino più lento sia della funzione esecutiva che della memoria. Questi risultati suggeriscono che modelli distinti di atrofia cerebrale possono essere collegati a vari domini cognitivi.

Il Cerebrum (latino per "cervello") ospita la corteccia cerebrale e le regioni del cervello corticale.

Fonte: database Life Science / Wikimedia Common

Come sempre, l'analisi della meccanica cerebrale di qualsiasi malattia o disordine neurologico aiuta a individuare in che modo i cambiamenti nella struttura cerebrale o nella connettività funzionale sono collegati a specifiche abilità cognitive.

Ad esempio, nel 1848, Phineas Gage subì un incidente in cui un'asta di ferro trapassò la corteccia orbitofrontale (OFC) nei lobi frontali. Prima delle sue lesioni cerebrali, Gage era noto per essere un uomo congeniale e dal linguaggio tenero che viveva secondo le regole della società. Dopo il suo incidente, Gage divenne un anticonformista disinibito e spesso di temperamento che non si curava molto delle regole della società e poteva essere in contraddittorio. Visse fino al 1860, ma dopo l'incidente con la verga di ferro, la sua personalità era così alterata che i suoi amici e familiari si riferivano a lui come "non più Gage". Il legame diretto tra il danno OFC ei cambiamenti di personalità in Gage aiutò i ricercatori a identificare la funzione di questa particolare regione del cervello.

Proprio come i neuroscienziati hanno individuato il ruolo dei vari lobi nel cervello nel corso del ventesimo secolo, la prossima frontiera della neuroscienza nel 21 ° secolo sarà quella di mappare come le varie "micro-zone" dell'intero cervello interagiscono l'una con l'altra. La scoperta di come varie combinazioni di atrofia cerebrale in tre aree cerebrali sono collegate all'Alzheimer aiuta a far progredire la nostra comprensione di come i cambiamenti nel volume della materia grigia in diverse regioni del cervello influenzino aspetti specifici della cognizione.

"Dysmetria of Thought" ipotizza che le regioni sottocorticali svolgano un ruolo nella cognizione

Lungo queste linee, Jeremy Schmahmann (anche del Massachusetts General Hospital) crede che il cervelletto posteriore potrebbe essere al centro del futuro in base al suo ruolo significativo nella nostra evoluzione umana e ai risultati della sua unità di atassia MGH. Il lobo posteriore si è espanso esponenzialmente nella nostra recente evoluzione. Infatti, solo la corteccia prefrontale è cresciuta più rapidamente del cervelletto posteriore durante la nostra evoluzione.

Schmahmann ha un'ipotesi che chiama "Dysmetria of Thought" che è una teoria secondo la quale il cervelletto può perfezionare i nostri pensieri proprio come perfeziona i nostri movimenti muscolari. Ha sviluppato questa teoria dopo aver studiato più pazienti con danni al cervelletto e osservando un modello di deficit nei domini cognitivi della funzione esecutiva, della cognizione spaziale e del linguaggio. La nuova ricerca condotta dai suoi colleghi nel laboratorio di neuroimaging computazionale di MGH, afferma che le regioni sottocorticali (incluso il cervelletto) svolgono un ruolo nella funzione esecutiva e nella memoria.

In uno studio del 2010, Schmahmann ed i suoi colleghi di MGH hanno coniato il termine Sindrome cognitivo-affettiva cerebellare (CCAS) che viene anche chiamato "Sindrome di Schmahmann". Il CCAS è rappresentato da menomazioni della funzione esecutiva che includono problemi di pianificazione, set-shifting, ragionamento astratto, fluenza verbale e memoria di lavoro. I sintomi del CCAS sono perseveranza, distraibilità e disattenzione che sono tutti correlati con lesioni, danni o atrofia del cervelletto.

È interessante notare che l'analisi delle scansioni cerebrali nel recente studio di Yeo et al. ha indicato che i vari modelli di fattori di atrofia due anni dopo le scansioni iniziali erano persistenti in una vasta gamma di individui. La maggior parte dei partecipanti, inclusi quelli nel decadimento cognitivo lieve e nei livelli cognitivamente normali, ha mostrato livelli di più di un'area cerebrale atrofizzata.

"La maggior parte degli studi precedenti si concentrava su pazienti già diagnosticati, ma siamo stati in grado di stabilire modelli distinti di atrofia non solo nei pazienti con diagnosi ma anche nei partecipanti a rischio che presentavano una lieve menomazione o erano cognitivamente normali all'inizio dello studio", dice Yeo. "Questo è importante perché la cascata neurodegenerativa che porta al morbo di Alzheimer inizia anni, forse decenni, prima della diagnosi. Quindi capire i diversi modelli di atrofia tra gli individui a rischio è piuttosto prezioso. "

La ricerca futura esplorerà come varie regioni del cervello influenzano altri disturbi neurologici

Sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere meglio in che modo i modelli specifici di atrofia sono correlati alla distribuzione di amiloide e tau e per individuare l'esatto meccanismo attraverso il quale questi cambiamenti influenzano le abilità cognitive specifiche. Nella sua dichiarazione a MGH, Yeo ha concluso,

"Studi precedenti presumevano che un individuo potesse esprimere solo un singolo pattern neurodegenerativo, che è altamente restrittivo poiché in qualsiasi persona anziana potrebbero verificarsi più fattori patologici nello stesso momento, come il danno vascolare insieme alle placche amiloidi e ai grovigli tau che sono direttamente associati all'Alzheimer. Pertanto, è probabile che gli individui affetti da patologie multiple coesistenti presentino diversi modelli di atrofia ".

Thomas Yeo sottolinea che lo stesso tipo di modellizzazione matematica utilizzata per analizzare i dati di neuroimaging in questo studio sull'Alzheimer può essere utilizzato per decostruire il ruolo che varie regioni del cervello svolgono in altri disturbi neurologici. La ricerca futura esplorerà come una varietà di sintomi clinici e di modelli di volume della materia grigia si manifestino in altri disturbi cerebrali come il morbo di Parkinson, la schizofrenia e l'autismo. Rimanete sintonizzati!