Autocontrollo e adolescenza:l’università della Pennsylvania studia e individua i cambiamenti nei circuiti neurali
La materia bianca permette lo sviluppo dei meccanismi cerebrali complessi
Il cervello umano é un sistema complesso di circuiti neurali che si sviluppano dalla nascita sino all’età adulta. I meccanismi cerebrali sono organizzati per supportare le funzioni esecutive come l’autocontrollo e il pensiero critico. Gli studiosi dell’Università della Pennsylvania hanno approfondito il ruolo della materia bianca all’interno dei circuiti cerebrali per comprendere meglio lo sviluppo delle funzioni esecutive durante l’adolescenza.
L’efficacia della gerarchia della corteccia cerebrale
La corteccia cerebrale é organizzata secondo un modello gerarchico. Esso parte dalla corteccia sensoriale unimodale alla corteccia di associazione transmodale (Huntenburg et al., 2018). All’interno di questo circuito sono presenti percorsi di materia bianca che coordinano l’attività neuronale e la cognizione.
Per comprendere la specializzazione funzionale delle aree corticali sulla base della loro connettività é necessario analizzare le gerarchie dell’organizzazione cerebrale (Felleman et al., 1991).
Per questo gli studiosi come Bassett et al. (2019) hanno formulato la teoria della rete secondo la quale esistono correlazioni tra la struttura e la funzione neurobiologica. Vi é infatti una forte corrispondenza tra la connettività cerebrale e lo sviluppo di meccanismi complessi come la memoria di lavoro e la fluidità cognitiva.
L’architettura cerebrale comprende:
- popolazioni neurali (Shen et al., 2012)
- regioni corticali specializzate
- reti cerebrali di grandi dimensioni (Honey et al., 2009)
Esistono tuttavia pochi dati su come la materia bianca presente in questa architettura maturi e supporti le fluttuazioni neuronali correlate alla cognizione. Uno sviluppo anomalo della comunicazione funzionale potrebbe infine provocare lo sviluppo di deficit delle funzioni esecutivi e far emergere disturbi neuropsichiatrici nell’adolescenza (Baum et al., 2017).
Lo studio dell’Università della Pennsylvania
La teoria delle reti é stata ripresa nello studio del Lifespan Brain Institute della Perelman School of Medicine dell'Università della Pennsylvania e del Children's Hospital di Philadelphia per identificare lo sviluppo delle connessioni a sostegno dell'attività neurale alla base della corteccia cerebrale.
L’autore dello studio Theodore Satterthwaite (MD) ha affermato:
“Analizzando lo sviluppo del cervello durante l’infanzia e l’adolescenza é possibile capire come il cervello supporti le funzioni esecutive e l’autocontrollo nei bambini. Le anomalie tra la connettività cerebrale e le funzioni esecutive causano l’emergere di disturbi dello sviluppo”.
Per poter identificare i biomarcatori responsabili di eventuali deficit cognitivi i ricercatori hanno mappato le connessioni anatomiche di una determinata regione del cervello e la loro rispettiva attività neurale. La correlazione struttura-funzione si verifica infatti quando il profilo di una regione corticale di materia bianca predice la forza della connettività funzionale.
Nello studio di Theodore Satterwhite si sono volute esplorare tre principali ipotesi:
- la correlazione struttura-funzione e la sua conseguente specializzazione corticale (Buckner et al., 2013)
- l’aumento dello sviluppo struttura-funzione nella corteccia di associazione transmodale (Miller et al., 2012)
- l’importanza della corteccia fronto-parietale per le funzioni esecutive (Hampson et al., 2006).
La fluttuazione spontanea dell’attività neurale di 727 partecipanti tra gli 8 e i 23 anni é stata analizzata durante un compito dove era implicata la memoria di lavoro attraverso tecniche avanzate di neuroimaging.
I risultati hanno evidenziato come la variabilità regionale dell’accoppiamento struttura-funzione fosse inversamente correlata in alcune aree cerebrali. Parti del cervello specializzate in semplici informazioni sensoriali avevano una correlazione struttura-funzione superiore mentre era inferiore in parti complesse come quelle deputate alle funzioni esecutive.
Le evidenze scientifiche dello studio di Satterthwaite et al. (2013) erano in perfetta sincronia con i modelli già noti dello sviluppo cerebrale nel corso dell’evoluzione. Precedenti lavori (Felleman et al., 1991) che hanno confrontato il cervello umano e quello animale hanno dimostrato come aree quali il sistema visivo non abbiano subito grandi cambiamenti durante l’evoluzione. Altre aree come la corteccia prefrontale si sono invece notevolmente espanse permettendo l’emergere di funzioni cognitive superiori.
L’accoppiamento struttura-funzione subisce variazioni anche durante l’infanzia e l’adolescenza. Le regioni cerebrali frontali complesse sono responsabili dell’autocontrollo e uno sviluppo prolungato dell’accoppiamento struttura-funzione permette di migliorare le funzioni esecutive nell’età adulta.
A differenza dei primati gli esseri umani mostrano una mielinizzazione assonale più lenta nella corteccia durante l’infanzia (Miller et al., 2012) ed é caratterizzata da un periodo di maturazione che si estende sino alla prima età adulta. Questo lungo processo permette il rimodellamento delle attività di circuiti neurali distribuiti nella corteccia di associazione transmodale ed è fondamentale per la maturazione di abilità complesse. L’aumento e la diversità della connettività funzionale intermodulare sottolinea il ruolo flessibile ed integrativo delle regioni cerebrali.
Al riguardo Graham Baum, l’autore principale dello studio, ha affermato:
“Questi risultati suggeriscono come funzioni esecutive complesse come il controllo degli impulsi dipendono dallo sviluppo prolungato dell’accoppiamento struttura-funzione in aree come la corteccia prefrontale”.
Gli studiosi si chiedono tuttavia se l’architettura della sostanza bianca sia responsabile dei futuri cambiamenti della connettività funzionale. Lo sviluppo nell’accoppiamento struttura-funzione infatti potrebbe riflettere i processi di plasticità neurale (Gibson et al., 2014). La mielinizzazione precoce inoltre potrebbe migliorare la velocità di conduzione del segnale migliorando il coordinamento delle attività neurali distribute (Mount et al., 2017).
In conclusione gli studi futuri potrebbero analizzare un campione più ampio di individui durante i periodi di sviluppo sensibili per approfondire la relazione della maturazione della connettività strutturale e funzionale in circuiti specializzati. E’ necessario infatti comprendere in che modo i circuiti cerebrali si specializzino durante lo sviluppo al fine di identificare comportamenti flessibili e funzionali al benessere di bambini e adolescenti.
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Fonti:
Hampson M., Driesen N.R., Skudlarski P., Gore J.C., Constable R.T., Brain connectivity related to working memory performance. J. Neurosci. 26, 13338–13343 (2006)
Miller D.J. et al., Prolonged myelination in human neocortical evolution. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 16480–16485 (2012)
Shen K. et al., Information processing architecture of functionally defined clusters in the macaque cortex. J. Neurosci. 32, 17465–17476 (2012).
University of Pennsylvania School of Medicine. "Research identifies changes in neural circuits underlying self-control during adolescence: Study shows developing brain networks support cognition in youth." ScienceDaily. ScienceDaily, 3 January 2020.
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