2009 Giovani Ricercatori
Responsabile scientifico: Sergio Solinas
A. Razionale
L’attività oscillatoria sincronizzata di diverse aree cerebrali è manifesta a molteplici frequenze e risulta fondamentale per consentire il collegamento circuitale/funzionale del cervello. Infatti, le implicazioni neuropatologiche di alterazioni dell’attività oscillatoria a bassa frequenza coprono un ampio spettro di manifestazioni passando dall’atassia all’autismo, la dislessia e probabilmente la schizofrenia. L’attività oscillatoria patologica in aree corticali e subcorticali e nei muscoli si manifesta anche in pazienti colpiti da tremore essenziale, Parkinson o atassia cerebellare. In particolare, il coinvolgimento di oscillazioni a bassa frequenza nel cervelletto sono dimostrate in molteplici condizioni fisiologiche e patologiche tra cui la stimolazione periferica, il riflesso oculare condizionato, il rhythmic timing, i tempi di reazione e le strutture temporali, la scrittura, il linguaggio, la musica, l’imitazione di azioni e gli effetti specchio, la percezione, l’apprendimento e la comprensione di sequenze, la programmazione motoria, la sua esecuzione e le procedure di decisionali. Tale riconoscimento al cervelletto di un ruolo centrale non solo nel controllo senso-motorio ma anche nel controllo di emozioni e funzioni cognitive rende conto del recente aumento d’interesse per la fisio patologia cerebellare. Sino a pochi anni fa, lo studio di oscillazioni lente dell’attività cerebellare così come la loro relazione con le oscillazioni presenti in altre aree cerebrali sono rimaste largamente inesplorate. Questo progetto costituirà il primo studio sistematico delle basi fisiologiche di tali ritmi utilizzando un approccio multidisciplinare studiando sia modelli animali che umani. Le tecniche di registrazione magneto-encefalografica (MEG) e di modellizzazione computazionale saranno applicate allo studio dell’attività cerebrale e cerebellare in soggetti sani e in pazienti affetti da atassia cerebellare in seguito a ictus nel circuito cerebellare. Il controllo senso-motorio si basa su attività neurale oscillatoria in frequenze comprese tra 6 Hz e 9 Hz che diffondendosi nel circuito cerebro-cerebellare (CCL) coinvolge aree corticali (corteccia prefrontale, PFC; corteccia premotoria, PMC; corteccia sensorio-motoria primaria, S1-M1; corteccia posterio-parietale, PPC), il cervelletto, il talamo sino a ritornare nella corteccia cerebrale. La combinazione di registrazioni in modelli animali e la disponibilità di un modello realistico della rete del cervelletto offre l’occasione di valutare in una nuova prospettiva una ipotesi meccanicistica plausibile per la generazione delle oscillazioni nel cervelletto, il loro rafforzamento in risposta ad un input oscillatorio sincronizzato apportato dal circuito cerebello-talamo-corticale e le loro alterazioni in patologie. Quest’ultime saranno studiate mediante registrazioni MEG in soggetti umani. Un potenziale risultato del progetto è quindi lo sviluppo di un nuovo strumento di diagnosi per atassia ed altre disfunzioni cortico cerebellari. Sebbene non sia possibile stabilire se le dinamiche elettrofisiologiche nei modelli sperimentali animali possono essere intrinsecamente differenti in soggetti umani, le oscillazioni lente sono correlate con atti motori sia in soggetti umani che animali. Lo studio delle basi cellulari della risonanza e delle oscillazioni nel cervelletto del ratto forniranno informazioni sui meccanismi presenti nel cervelletto umano che sarebbero altrimenti impossibili da ottenere.
B. Obiettivi del progetto
Gli argomenti oggetto del progetto mostrano una ampia scala spaziale e temporale e sistemica coprendo tutti i livelli dal subcellulare all’intero sistema cerebrale. Questo progetto promuove l’uso combinato di ricerche di laboratorio, cliniche e di modelli computazionali per studiare i principali ritmi funzionali del cervelletto e promuovere lo studio delle patologie ad essi correlate. Pertanto gli obiettivi del progetto coprono applicazioni farmacologiche, cliniche e computazionali di ampio spettro:
1. L’analisi del funzionamento del CCL fornirà una migliore comprensione del ruolo delle oscillazioni nell’attività cerebrale e sarà d’aiuto nelle comprensione dell’origine dei segnali MEG nei soggetti umani.
2. Il livello di coerenza nei nodi del CCL in test specifici costituirà un valido strumento di prognosi per valutare la possibile evoluzione delle malattie in termini di compensazione e riabilitazione per le lesioni cerebellari.
3. La comprensione dei meccanismi di funzionamento cerebellari costituirà un importante passo avanti nello sviluppo delle terapie di cura per l’atassia cerebellare.
4. Lo studio dell’origine delle computazioni circuitali richiede una maggiore comprensione che sarà resa accessibile dalle analisi computazionali condotte. Questo è un aspetto di fondamentale importanza siccome la modellizzazione futura di sistemi neurali potrebbe essere correlata a progetti ad ampio spettro come il Blue-Brain project che mira ad una completa ricostruzione del cervello umano. Una grande importanza è attualmente attribuita a questi tentativi in modo da poter (i) generare robots e protesi, (ii) interpretare i segnali
cerebrali (per esempio MEG) e (iii) predire l’effetto dei farmaci.
5. Il progetto promuoverà lo studio di nuovi farmaci in grado di controllare le oscillazioni e la risonanza nel CCL portando a fornire nuove speranze nella cura dell’atassia.