Directional coordination along the cortical hierarchy is selectively reorganized in schizophrenia

Il cervello umano non è una macchina statica, ma un paesaggio dinamico, in costante mutamento tra diversi modi di operare. Per decenni, gli scienziati hanno compreso che il cervello è organizzato in una gerarchia, una struttura a strati dove le regioni inferiori gestiscono l'input sensoriale di base come vista e udito, mentre le regioni superiori gestiscono pensieri complessi e pianificazione. Una domanda centrale nelle neuroscienze è stata come questi strati comunichino tra loro. Le regioni superiori inviano istruzioni a quelle inferiori, o le regioni inferiori inviano dati grezzi verso l'alto per essere elaborati? Nel disturbo noto come schizofrenia, si ritiene che questa comunicazione si interrompa, portando a un mondo in cui le esperienze sensoriali sembrano prive di filtro e scollegate dal contesto. Tuttavia, fino ad ora, gli strumenti utilizzati per studiare il cervello sono stati come una macchina fotografica che registra solo la luminosità di una scena ma ignora la direzione della luce. Potevano dire ai ricercatori quanto fosse forte il collegamento tra due aree cerebrali, ma non potevano vedere quale area stesse guidando la conversazione in un dato momento.

Un nuovo studio condotto dai ricercatori del Tri-Institutional Center for Translational Research in Neuroimaging and Data Science ha cambiato le cose sviluppando un modo per vedere la direzione del traffico cerebrale. Analizzando le scansioni cerebrali di centinaia di persone, inclusi individui con schizofrenia, il team ha scoperto che il cervello cicla naturalmente attraverso tre distinti stati di comunicazione. In uno stato, le regioni del pensiero superiore guidano le regioni sensoriali inferiori, agendo come un manager che impartisce istruzioni. In un altro, le regioni sensoriali guidano, inviando dati grezzi verso l'alto. In un terzo stato, bilanciato, i due lati si scambiano informazioni equamente. I ricercatori hanno scoperto che nelle persone con schizofrenia questo ritmo naturale è interrotto. Invece di muoversi liberamente tra questi stati, il cervello rimane bloccato nello stato centrale e bilanciato e perde la capacità di sostenere lo stato "guidato dal manager". Questo specifico cedimento, che era invisibile ai metodi precedenti, correla con la gravità dei sintomi e con la capacità di una persona di pensare.

Lo studio è iniziato esaminando le scansioni cerebrali a riposo di 151 individui con schizofrenia e 160 controlli sani. I ricercatori hanno utilizzato un approccio matematico specializzato che preserva le differenze temporali tra i segnali cerebrali, permettendo di vedere quale regione stesse guidando e quale stesse seguendo. Hanno scoperto che i cervelli sani attraversano tre schemi ricorrenti. Uno schema, che hanno chiamato feedback, si verifica quando le aree associative del cervello — responsabili del pensiero complesso — guidano le aree sensoriali. Un altro schema, chiamato feedforward, avviene quando le aree sensoriali guidano le aree associative. Il terzo schema è integrativo, dove il flusso è bilanciato. Questi tre schemi sono apparsi costantemente in diversi gruppi di persone e su diverse macchine per la scansione, dimostrando che sono una caratterza fondamentale del funzionamento del cervello.

Quando i ricercatori hanno confrontato il gruppo sano con il gruppo con schizofrenia, hanno trovato una riorganizzazione selettiva di questi schemi. I cervelli delle persone con schizofrenia trascorrevano significativamente meno tempo nello stato di feedback, in cui le regioni superiori guidano quelle inferiori. Trascorrevano anche più tempo nello stato integrativo, in cui il flusso è bilanciato. Crucialmente, lo stato feedforward, in cui le regioni sensoriali guidano, rimaneva ampiamente invariato. Ciò significa che il disturbo non indebolisce semplicemente tutti i collegamenti; esso erode specificamente la capacità del cervello di mantenere un sistema di guida top-down. Il cervello nella schizofrenia si muove anche meno frequentemente tra questi stati e si stabilizza nei suoi schemi più rapidamente, suggerendo una perdita di flessibilità. I ricercatori hanno confermato questi risultati in un secondo gruppo indipendente di pazienti e controlli, assicurando che i risultati non fossero un caso fortuito di un singolo set di dati.

Lo studio ha anche esplorato come questi schemi cerebrali si relazionino al comportamento nel mondo reale e ai sintomi. Nelle persone sane, la velocità con cui il cervello si assesta in uno schema stabile era legata a migliori capacità di apprendimento. Tuttavia, nelle persone con schizofrenia, questa relazione si è invertita: lo stesso rapido assestamento era legato a una peggiore attenzione e a una minore performance cognitiva. Ciò suggerisce che, sebbene uno stato cerebrale stabile sia utile per una mente sana, in un cervello malato, esso rappresenta un collasso in una modalità rigida e improduttiva. Inoltre, la gravità dei sintomi positivi, come allucinazioni o deliri, era legata a quanto spesso il cervello scivolava dallo stato bilanciato verso lo stato feedforward. Più il cervello tendeva a lasciare che i dati sensoriali guidassero senza contesto, più gravi diventavano i sintomi.

Per dimostrare che questi schemi non fossero solo un trucco statistico ma una proprietà reale e controllabile del cervello, i ricercatori hanno testato il sistema in un gruppo separato di volontari sani sotto diverse condizioni. Hanno utilizzato un farmaco chiamato propofol per sedare i volontari e un compito mentale che coinvolgeva l'immaginare di giocare a tennis per impegnare le loro menti. La sedazione ha spostato l'attività cerebrale verso lo stato di feedback, in cui le regioni superiori guidano, mentre il compito di immaginazione mentale l'ha spostata verso lo stato feedforward. Questo doppio spostamento ha dimostrato che l'asse direzionale del cervello può essere spostato sperimentalmente, confermando che la perturbazione osservata nella schizofrenia è un reale fallimento dinamico piuttosto che un difetto anatomico fisso.

I ricercatori hanno anche preso cura di escludere altre spiegazioni per le loro scoperte. Hanno dimostrato che la direzione dei segnali non era causata da un ritardo fisso nel flusso sanguigno, una preoccupazione comune nell'imaging cerebrale, perché la direzione cambiava rapidamente all'interno di una singola scansione. Hanno anche provato che questa organizzazione direzionale non poteva essere spiegata da altri principi cerebrali noti, come i livelli di eccitazione globale o la disposizione generale dei collegamenti cerebrali. I modelli direzionali che hanno trovato erano unici e portavano informazioni che nessun'altra misura poteva catturare.

In definitiva, questo lavoro fornisce un nuovo modo per comprendere la gerarchia del cervello in azione. Rivela che la schizofrenia non è solo un disturbo di deboli connessioni, ma un disturbo di direzione. Il cervello perde la capacità di sostenere la guida top-down che aiuta a dare senso al mondo, rimanendo bloccato in un punto medio dove le informazioni fluiscono senza una leadership chiara. Identificando questo specifico fallimento dinamico, lo studio offre un potenziale nuovo bersaglio per comprendere la malattia e sviluppare trattamenti che possano aiutare a ripristinare il ritmo naturale del cervello. Le scoperte suggeriscono che la chiave del disturbo non risiede nella forza delle connessioni, ma nella direzione del flusso, una dimensione dell'attività cerebrale che era precedentemente nascosta sotto gli occhi di tutti.