Chirurgia per l'epilessia svela le autostrade segrete del cervello: il ruolo dei nodi neurali

La ricerca condotta dal team dell'Università di Iowa su pazienti epilettici ha dimostrato che gli hub cerebrali sono cruciali per il normale funzionamento del cervello, in particolare per il linguaggio. Il cervello ha mostrato una rapida risposta adattativa dopo la rimozione di un hub correlato al linguaggio, sottolineando l'importanza di questi hub e mettendo in discussione le teorie precedenti. Credit: SciTechDaily.com

Raro esperimento durante un intervento chirurgico al cervello aiuta i ricercatori a comprendere meglio le reti neurali.

Un team di neuroscienziati internazionali guidato dall'Università di Iowa ha ottenuto le prime registrazioni dirette del cervello umano nei minuti precedenti e successivi alla disconnessione chirurgica di un hub cerebrale cruciale per il significato del linguaggio. I risultati rivelano l'importanza degli hub cerebrali nelle reti neurali e il modo straordinario in cui il cervello umano cerca di compensare quando viene perso un hub, con una rapidità mai osservata in precedenza.

Cosa succede quando il cervello perde un hub importante? Qual è l'impatto immediato sulla rete neurale e come si compensa?

Gli hub sono ovunque. L'hub di una ruota di bicicletta, con i raggi che sporgono dal centro, evita che la ruota si collassi quando la bicicletta viene usata. Gli hub aeroportuali collegano città di tutto il mondo. E gli hub sociali come i caffè o le reti sociali online sono luoghi in cui le persone si ritrovano per interagire.

Il cervello umano ha anche hub: l'intersezione di molteplici vie neuronali che aiutano a coordinare l'attività cerebrale necessaria per funzioni complesse come la comprensione e la risposta al linguaggio. Tuttavia, è stato controverso se gli hub cerebrali altamente interconnessi siano irrimediabili per determinate funzioni cerebrali. Secondo alcune teorie, il cervello, essendo già una rete neurale altamente interconnessa, può in teoria compensare immediatamente la perdita di un hub, allo stesso modo in cui il traffico può essere deviato intorno a un centro cittadino bloccato.

Credit: University of Iowa Health Care

Con un'opportunità sperimentale rara, i team di neurochirurgia e ricerca dell'UI guidati da Matthew Howard III, MD, professore e DEO di neurochirurgia, e Christopher Petkov, PhD, professore e vicepresidente della ricerca in neurochirurgia, hanno raggiunto una svolta nella comprensione della necessità di un singolo hub.

Ottenendo evidenze su ciò che accade quando viene perso un hub necessario per il significato del linguaggio, i ricercatori hanno dimostrato sia l'importanza intrinseca dell'hub che la straordinaria e rapida capacità del cervello di adattarsi e almeno parzialmente cercare di compensare immediatamente la sua perdita. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature Communications.

Lo studio è stato condotto durante il trattamento chirurgico di due pazienti epilettici. Entrambi i pazienti stavano subendo procedure che richiedevano la rimozione chirurgica del lobo temporale anteriore - un hub cerebrale per il significato del linguaggio - per consentire ai neurochirurghi di accedere a un'area cerebrale più profonda responsabile delle crisi epilettiche debilitanti dei pazienti. Prima di questo tipo di chirurgia, i team di neurochirurgia chiedono spesso ai pazienti di svolgere compiti di linguaggio e parlato in sala operatoria, mentre utilizzano elettrodi impiantati per registrare l'attività dalle parti del cervello vicine e distanti dall'area chirurgica pianificata. Queste registrazioni aiutano il team clinico a trattare efficacemente le crisi epilettiche limitando l'impatto dell'intervento chirurgico sulle abilità di linguaggio e parlato del paziente.

Di solito, gli elettrodi di registrazione non sono più necessari dopo la procedura di resez ione chirurgica e vengono rimossi. L'innovazione di questo studio è stata che il team di neurochirurgia è stato in grado di completare in sicurezza la procedura con gli elettrodi di registrazione lasciati al posto o reimpiantati nella stessa posizione dopo la procedura. Ciò ha reso possibile ottenere rare registrazioni pre- e post-operatorie, che hanno consentito ai ricercatori di valutare i segnali provenienti da aree cerebrali lontane dall'hub, comprese le aree del linguaggio e della parola distanti dal sito dell'intervento chirurgico. L'analisi del cambiamento nelle risposte ai suoni del linguaggio, prima e dopo la perdita dell'hub, ha rivelato una rapida interruzione della segnalazione e un successivo parziale compenso della rete cerebrale più ampia.

"L'impatto rapido sulle regioni di elaborazione del linguaggio e parlato, ben distanti dal sito di trattamento chirurgico, è stato sorprendente, ma ciò che è stato ancora più sorprendente è come il cervello stesse cercando di compensare, sebbene in modo incompleto, in questo breve lasso di tempo", afferma Petkov, che ricopre anche un incarico presso la Scuola di Medicina dell'Università di Newcastle nel Regno Unito.

I risultati confutano le teorie che mettono in discussione la necessità di specifici hub cerebrali mostrando che l'hub era importante per mantenere il normale funzionamento cerebrale nel linguaggio.

"Il trattamento neurochirurgico e le nuove tecnologie continuano a migliorare le opzioni di trattamento offerte ai pazienti", afferma Howard, che è anche membro dell'Iowa Neuroscience Institute. "Ricerche come questa sottolineano l'importanza di ottenere e confrontare in modo sicuro registrazioni elettriche prima e dopo l'intervento, soprattutto quando un hub cerebrale potrebbe essere interessato".

According to the researchers, the observation on the nature of the immediate impact on a neural network and its rapid attempt to compensate provides evidence in support of a brain theory proposed by Professor Karl Friston at University College London, which posits that any self-organizing system at equilibrium works towards orderliness by minimizing its free energy, a resistance of the universal tendency towards disorder. These neurobiological results following human brain hub disconnection were consistent with several predictions of this and related neurobiological theories, showing how the brain works to try to regain order after the loss of one of its hubs.

Reference: “Immediate neural impact and incomplete compensation after semantic hub disconnection” by Zsuzsanna Kocsis, Rick L. Jenison, Peter N. Taylor, Ryan M. Calmus, Bob McMurray, Ariane E. Rhone, McCall E. Sarrett, Carolina Deifelt Streese, Yukiko Kikuchi, Phillip E. Gander, Joel I. Berger, Christopher K. Kovach, Inyong Choi, Jeremy D. Greenlee, Hiroto Kawasaki, Thomas E. Cope, Timothy D. Griffiths, Matthew A. Howard III and Christopher I. Petkov, 7 October 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-42088-7

In addition to Petkov and Howard, the research team included researchers in the UI Departments of Neurosurgery, Radiology, and Psychological and Brain Sciences, as well as colleagues from Newcastle University, UCL, and University of Cambridge in the UK, and from Carnegie Mellon University, University of Wisconsin-Madison, and Gonzaga University in the United States.

The research was funded in part by grants from National Institutes of Health, the Wellcome Trust. and the European Research Council.