Pupil size and pupil change correlate with distinct cortical neurochemical systems across the adult lifespan

La pupilla umana fa molto di più del semplice regolare la luminosità di una stanza. Sebbene si restringa nella luce intensa e si dilati nell'oscurità per regolare la visione, essa reagisce anche allo stato interno della mente. Quando una persona è sorpresa, concentrata o mentalmente impegnata, le sue pupille spesso si dilatano, ovvero si allargano, anche se la luce rimane costante. Per decenni, gli scienziati hanno sospettato che questi cambiamenti spontanei siano una finestra sul "locus coeruleus" del cervello, un piccolo ammasso di cellule nervose situato in profondità che funge da fonte primaria di norepinefrina, un messaggero chimico cruciale per l'allerta e l'attenzione. Poiché questa regione cerebrale è difficile da mappare direttamente, i ricercatori speravano da tempo che misurare la pupilla potesse servire come un proxy affidabile e non invasivo della sua attività. Tuttavia, con l'avanzare dell'età, la biologia del cervello cambia, e l'affidabilità di questo collegamento è rimasta incerta. Se il legame tra la pupilla e il sistema di allerta del cervello si indebolisce o si sposta con l'età, allora l'uso delle misurazioni della pupilla per studiare il cervello che invecchia potrebbe portare a conclusioni fuorvianti.

Per investigare su questo, un team di ricercatori dell'Università Cornell ha riunito 89 adulti di età compresa tra i 19 e i 78 anni per eseguire un compito visivo all'interno di uno scanner di risonanza magnetica. I partecipanti guardavano uno schermo dove apparivano a intervalli casuali cerchi di diverse dimensioni e luminosità. La maggior parte dei cerchi era standard, ma occasionalmente appariva un cerchio più grande, noto come "oddball", che spingeva il partecipante a premere un pulsante. I ricercatori hanno registrato la dimensione della pupilla dei partecipanti in modo continuo a una velocità molto elevata e contemporaneamente hanno scansionato i loro cervelli per misurare il flusso sanguigno, che funge da proxy per l'attività neurale. Erano particolarmente interessati a capire se la dimensione della pupilla e la velocità del suo cambiamento fossero legati all'attività del sistema noradrenergico del cervello, e se questi legami rimanessero validi durante l'intero arco della vita adulta.

Lo studio ha rivelato che il comportamento della pupilla non è un segnale unico e unificato, ma trasporta due tipi distinti di informazioni che operano su tempi diversi e si connettono a parti diverse del cervello. I ricercatori hanno scoperto che la pura dimensione della pupilla in un dato momento correla con l'attività cerebrale secondo un modello specifico, mentre il rapido cambiamento della dimensione della pupilla — quanto velocemente si espande o si contrae — correla con un modello di attività cerebrale completamente diverso. Questi due segnali non avvengono solo contemporaneamente; sono legati a sistemi chimici differenti all'interno del cervello. I rapidi cambiamenti nella dimensione della pupilla erano fortemente legati alle aree del cervello ricche di trasportatore della norepinefrina, la proteina che gestisce la sostanza chimica dell'allerta del cervello. Ciò conferma che quando la pupilla si allarga o si restringe improvvisamente, sta effettivamente tracciando l'attività del sistema di allerta del cervello. Al contrario, la dimensione costante della pupilla era legata ad aree cerebrali dense di recettori oppioidi e cannabinoidi, suggerendo che la dimensione di base della pupilla rifletta uno stato chimico diverso e più lento, possibilmente legato alla regolazione del dolore o all'umore, piuttosto che all'allerta immediata.

Fondamentalmente, lo studio ha esaminato come questi collegamenti resistano con l'invecchiamento. I ricercatori hanno scoperto che la relazione tra i rapidi cambiamenti della pupilla e il sistema di allerta del cervello rimane significativa per tutta la vita, ma si indebolisce leggermente negli adulti più anziani. Nello specifico, il numero di aree cerebrali che mostravano un forte legame con i cambiamenti della pupilla è diminuito nei partecipanti più anziani, e la forza del collegamento con il sistema della norepinefrina era inferiore negli adulti anziani rispetto ai più giovani. Tuttavia, il legame tra la dimensione costante della pupilla e le aree cerebrali legate agli oppioidi non è cambiato affatto con l'età; rimaneva forte tanto in un settantenne quanto in un ventenne. Questa distinzione è vitale perché suggerisce che, sebbene il sistema di allerta del cervello possa diventare leggermente meno sincronizzato con i movimenti della pupilla con l'avanzare dell'età, altri aspetti della chimica cerebrale riflessi nella pupilla rimangono stabili.

I ricercatori hanno anche osservato direttamente la regione cerebrale responsabile dell'allerta, il locus coeruleus, ma hanno scoperto che il segnale proveniente da questa minuscola struttura era troppo debole per essere misurato in modo affidabile nei singoli partecipanti utilizzando le tecniche di scansione standard. Invece di arrendersi, hanno mappato l'influenza della pupilla attraverso l'intero cervello. Hanno scoperto che i rapidi cambiamenti nella dimensione della pupilla erano associati più fortemente a una vasta rete di regioni cerebrali coinvolte nell'attenzione e nell'elaborazione sensoriale, che si estendeva dal retro del cervello al tronco encefalico. Questo schema diffuso, piuttosto che un singolo segnale puntiforme, è ciò che la pupilla sembra tracciare. Lo studio ha anche escluso l'idea che questi legami cervello-pupilla fossero semplicemente causati da cambiamenti nella frequenza cardiaca o nella respirazione, poiché i ricercatori hanno rimosso attentamente questi fattori dai loro dati e i modelli sono rimasti invariati.

In definitiva, il lavoro chiarisce che la pupilla è uno strumento complesso che racconta due storie diverse. Una storia riguarda la velocità del cambiamento, che traccia il sistema di allerta del cervello e mostra un modesto declino nella sua coordinazione con l'età. L'altra storia riguarda lo stato stazionario, che traccia un sistema chimico differente e rimane costante durante tutta la vita. Ciò significa che se gli scienziati vogliono usare le misurazioni della pupilla per comprendere il cervello che invecchia, devono fare attenzione a distinguere tra la dimensione della pupilla e la velocità con cui essa cambia. Separando questi due segnali, i ricercatori possono comprendere meglio quali parti del cervello stiano invecchiando e quali rimangano invariate, offrendo un modo più preciso per monitorare la salute del cervello senza procedure invasive. Le scoperte suggeriscono che, sebbene la macchina dell'allerta cerebrale possa rallentare la sua coordinazione con l'occhio con l'avanzare dell'età, il panorama chimico fondamentale del cervello rimane accessibile attraverso questi sottili e misurabili cambiamenti della pupilla.