La matematica traduce il linguaggio del cervello
La nostra intelligenza, le nostre capacità cognitive e il nostro comportamento sono il risultato di calcoli effettuati dai neuroni all’interno del cervello. Per comprendere il funzionamento del cervello, è necessario misurare l’attività elettrica di questi neuroni. Se sugli animali è possibile eseguire procedure investigative invasive, negli esseri umani normalmente è possibile misurare i potenziali elettrici dalla superficie del cervello solo con un elettroencefalogramma (EEG).
Da dove provengono i dati dell’EEG?
L’EEG è un potente strumento che registra l’attività elettrica del cervello mediante elettrodi posizionati sul cuoio capelluto. È stato fondamentale per lo studio non invasivo delle funzioni cerebrali, tra cui la percezione, la cognizione e la funzione motoria in condizioni di salute e di malattia. I dati EEG si presentano sotto forma di picchi e onde di tensione, con le fluttuazioni emergenti che rappresentano l’attività elettrica di molti neuroni. È possibile localizzare anatomicamente le aree cerebrali che producono una determinata distribuzione topografica dei valori di tensione EEG. Tuttavia, i meccanismi cerebrali di fondo che sono responsabili di queste oscillazioni EEG rimangono sconosciuti. Inoltre, non siamo in grado di correlare i dati dell’EEG con specifici circuiti neurali nel cervello, né possiamo discriminare quali tipi di neuroni producono questa attività. L’obiettivo principale del progetto ESNECO è stato quello di sviluppare metodi matematici di analisi degli EEG della superficie cerebrale che potrebbero consentire agli scienziati di stimare l’attività e le caratteristiche dei diversi tipi di neuroni all’interno del cervello.
Approccio matematico all’analisi dei dati dell’EEG
La ricerca è stata intrapresa con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA) e si è concentrata sulla realizzazione di una nuova serie di algoritmi matematici per misurare l’attività dei neuroni nel cervello a partire dai tracciati EEG. «L’algoritmo matematico generato ci ha permesso di analizzare il tracciato EEG e di tradurre le informazioni in parametri e proprietà neurali del cervello», sottolinea il coordinatore del progetto Stefano Panzeri. L’algoritmo ESNECO ha applicazioni immediate sia nella ricerca sulle neuroscienze cognitive che in ambito clinico, non solo per comprendere il funzionamento del cervello umano, ma anche per monitorare i cambiamenti dell’attività cerebrale durante le malattie. Il suo utilizzo negli esperimenti di neuroscienza cognitiva permetterà agli scienziati di comprendere meglio come il cervello calcola in condizioni normali per raggiungere funzioni cognitive. Inoltre, l’applicazione ai dati clinici agevolerà l’indagine su ciò che accade effettivamente nel cervello durante le varie fasi di alcuni disturbi. Queste informazioni sono fondamentali per decidere e progettare nuovi interventi in grado di ripristinare le normali funzioni. Secondo Panzeri: «Il prossimo passo per noi è distribuire questi algoritmi in modo che possano essere applicati ai dati clinici dei disturbi dello spettro autistico. Questo aiuterà i ricercatori a svelare la base neurale di questi disturbi e a progettare interventi adeguati.»
Parole chiave
ESNECO, cervello, elettroencefalogramma, EEG, metodo matematico, algoritmo, neurone, tensione
