Network-specific metabolic cost of functional connectivity in the human brain

Il cervello umano è un motore biologico che funziona quasi interamente a zucchero. Anche quando siamo seduti immobili, senza fare nulla di particolare, le nostre menti consumano una vasta quantità di glucosio, lo zucchero semplice che alimenta le nostre cellule. Gli scienziati sanno da tempo che diverse parti del cervello si illuminano con l'attività quando pensiamo, ci muoviamo o proviamo emozioni, e sanno anche che queste aree attive richiedono più carburante. Per decenni, i ricercatori hanno cercato di mappare la relazione tra questo consumo di carburante e il modo in cui le diverse regioni cerebrali comunicano tra loro. Hanno osservato come i segnali elettrici del cervello, che mostrano quali aree lavorano insieme, si relazionano alla quantità di glucosio che quelle aree bruciano. Tuttavia, i tentativi precedenti di comprendere questa connessione spesso trattavano il cervello come una massa singola e uniforme. Guardavano l'intero organo in un colpo solo, perdendo di vista il fatto che il cervello è in realtà organizzato in squadre distinte di regioni che lavorano insieme per compiti specifici, come la visione, il movimento o la memoria. Comprendere quanto costa far funzionare queste specifiche squadre è fondamentale, perché rivela le vere regole economiche della mente e come tali regole possano rompersi nelle malattie.

Un nuovo studio esamina più da vicino questa economia energetica analizzando il cervello non come un tutto, ma come una collezione di reti specializzate. I ricercatori hanno utilizzato una potente combinazione di strumenti di imaging per osservare come il cervello utilizza il glucosio mentre le persone riposano, mentre svolgono compiti mentali e mentre affrontano le prime fasi della malattia di Alzheimer. Si sono concentrati sulla misurazione del "costo metabolico" della connettività funzionale. In termini semplici, hanno calcolato quanto glucosio extra una rete cerebrale debba bruciare quando i suoi membri iniziano a lavorare insieme più strettamente. Osservando tre gruppi separati di persone, il team ha scoperto che non tutte le reti cerebrali sono uguali per quanto riguarda l'energia. Alcune squadre sono incredibilmente costose da gestire, mentre altre sono sorprendentemente parsimoniose.

Lo studio ha rivelato una chiara gerarchia in questi costi energetici. La rete del modo predefinito (default mode network), un gruppo di regioni che diventa attivo quando sogniamo ad occhi aperti o pensiamo a noi stessi, si è rivelata la squadra più costosa da alimentare. Richiede la massima quantità di glucosio per mantenere le sue connessioni. All'altro estremo dello spettro, la rete somatomotoria, che controlla i nostri movimenti fisici e i sensi, richiedeva la minore quantità di carburante per mantenere i suoi membri in sincronia. Nel mezzo si trovava la rete fronto-temporale, coinvolta nel linguaggio e nel pensiero complesso, che portava un carico energetico intermedio. Questo schema rimaneva valido anche quando i ricercatori osservavano come queste connessioni cambiassero momento per momento. Quando il cervello entrava in uno stato in cui la rete del modo predefinito era fortemente coinvolta, il conto energetico era al suo massimo. Quando il cervello passava a uno stato dominato dalla rete del movimento, il costo scendeva al minimo.

Il quadro cambiava drasticamente quando i ricercatori osservavano le persone affette da Alzheimer. In questi individui, le normali regole energetiche venivano invertite. La rete del modo predefinito, che normalmente brucia il maggior quantitativo di carburante, mostrava una diminuzione delle sue richieste energetiche. Nel frattempo, la rete somomotoria, solitamente la più efficiente, iniziava a mostare costi aumentati. Questa inversione suggerisce che la malattia interrompa la normale capacità del cervello di gestire le proprie risorse in modo efficiente, costringendolo a pagare un prezzo più alto per le funzioni di base pur non riuscendo a sostenere il complesso pensiero interno che di solito comporta un costo elevato.

Lo studio ha anche osservato cosa accade quando al cervello viene chiesto di svolgere un compito specifico. Quando i partecipanti affrontavano un compito cognitivo, le richieste energetiche nelle reti del modo predefinito e somatomotoria diminuivano, come se il cervello stesse risparmiando carburante mettendo a tacere quei sistemi interni e fisici. Allo stesso tempo, le reti direttamente rilevanti per il compito in corso vedevano un aumento dei propri costi energetici. Ciò dimostra che il cervello è flessibile, spostando il proprio budget di carburante per adattarsi a ciò che sta facendo. Le scoperte evidenziano che l'architettura del cervello non è una macchina statica, ma un sistema dinamico che regola costantemente la propria spesa energetica in base al fatto che stia riposando, pensando o combattendo una malattia. Mappando questi costi specifici, gli scienziati stanno iniziando a vedere la complessa interazione tra il modo in cui le reti cerebrali si connettono e quanto costa mantenerle in funzione.