Il cervello umano si espande e si contrae nel tempo: questi grafici mostrano come

Quando la settimana scorsa il neuroscienziato Jakob Seidlitz ha portato il figlio di 15 mesi dal pediatra per un controllo, se ne è andato sentendosi insoddisfatto. Non c'era niente di sbagliato in suo figlio: il ragazzo sembrava svilupparsi a un ritmo tipico, secondo le tabelle di altezza e peso utilizzate dal medico. Quello che Seidlitz sentiva mancare era una metrica equivalente per misurare come cresceva il cervello di suo figlio. «È scioccante quante poche informazioni biologiche abbiano i medici su questo organo critico», ha affermato Seidlitz, che lavora presso l'Università della Pennsylvania a Philadelphia.

Presto, potrebbe essere in grado di cambiare la situazione. Lavorando con i colleghi, Seidlitz ha accumulato più di 120.000 scansioni cerebrali, la più grande collezione del suo genere, per creare i primi grafici di crescita completi per lo sviluppo cerebrale. I grafici mostrano visivamente come il cervello umano si espanda rapidamente nei primi anni di vita per poi ridursi lentamente con l'età. La vastità dello studio, pubblicato sulla rivista Nature, ha sbalordito i neuroscienziati, che da tempo hanno dovuto affrontare problemi di riproducibilità nella loro ricerca, in parte a causa delle dimensioni ridotte dei campioni. La risonanza magnetica nucleare (NMR) è costosa, il che significa che gli scienziati hanno spesso un numero limitato di partecipanti che possono iscriversi agli esperimenti.

«L'enorme set di dati che hanno raccolto è estremamente impressionante e stabilisce davvero un nuovo standard per il campo», ha affermato Angela Laird, neuroscienziata cognitiva presso la Florida International University di Miami. Anche così, gli autori avvertono che il loro database non è completamente inclusivo: hanno avuto difficoltà a raccogliere scansioni cerebrali da tutte le regioni del mondo. I grafici risultanti, dicono, sono solo una prima bozza e sarebbero necessari ulteriori aggiustamenti per implementarli in contesti clinici.

Se la grafica sarà finalmente implementata per i pediatri, sarà necessaria grande attenzione per garantire che non vengano fraintesi, secondo Hannah Tully, neurologa pediatrica presso l'Università di Washington a Seattle. «Un grande cervello non è necessariamente un cervello ben funzionante», ha sottolineato.

Non è un compito facile

Poiché la struttura del cervello varia in modo significativo da persona a persona, i ricercatori hanno dovuto aggiungere un gran numero di scansioni per creare un insieme autorevole di grafici di crescita con significato statistico. Per Richard Bethlehem, neuroscienziato dell'Università di Cambridge, Regno Unito, e coautore dello studio, non è un compito facile. Invece di eseguire migliaia di scansioni da soli, che richiederebbero decenni e sarebbero proibitivamente costosi, i ricercatori si sono rivolti a studi di neuroimaging già completati.

Bethlehem e Seidlitz hanno inviato e-mail a ricercatori di tutto il mondo chiedendo loro se avrebbero condiviso i loro dati di neuroimaging per il progetto. I due sono rimasti stupiti dal numero di risposte, che attribuiscono alla pandemia di COVID-19, che ha dato ai ricercatori meno tempo nei loro laboratori e più tempo del solito con le loro caselle di posta elettronica.

In totale, il team ha raccolto 123.894 scansioni MRI di 101.457 persone, che vanno dai feti 16 settimane dopo il concepimento agli adulti di età compresa tra 100 anni. Le scansioni includevano cervelli di persone neurotipiche, così come persone con una varietà di condizioni mediche, come il morbo di Alzheimer e differenze neurocognitive, incluso il disturbo dello spettro autistico. I ricercatori hanno utilizzato modelli statistici per estrarre informazioni dalle immagini e garantire che le scansioni fossero direttamente comparabili, indipendentemente dal tipo di macchina per la risonanza magnetica utilizzata.

Il risultato finale è un insieme di grafici che tracciano diverse metriche cerebrali chiave per età. Alcune metriche, come il volume della materia grigia e lo spessore corticale medio (la larghezza della materia grigia) raggiungono il picco nelle prime fasi dello sviluppo di una persona, mentre il volume della sostanza bianca (trovato più in profondità nel cervello) tende a raggiungere il picco intorno ai 30 anni. I dati sul volume ventricolare (la quantità di liquido cerebrospinale nel cervello), in particolare, hanno sorpreso Betlemme. Gli scienziati sapevano che questo volume aumenta con l'età, perché di solito è associato all'atrofia cerebrale, ma l'esperto è rimasto sorpreso dalla rapidità con cui tende a crescere nella tarda età adulta.

Una prima bozza

Lo studio arriva sulla scia di un articolo esplosivo pubblicato su Nature a marzo 16 che mostra che la maggior parte degli esperimenti di imaging cerebrale contiene troppe poche scansioni per rilevare in modo affidabile i collegamenti tra la funzione cerebrale e comportamento, il che significa che le tue conclusioni potrebbero essere errate. Alla luce di questa constatazione, Laird si aspetta che il campo si muova verso l'adozione di un quadro simile a quello utilizzato da Seidlitz e Betlemme, per aumentare il potere statistico.

Accumulare così tanti set di dati è simile a un «capolavoro diplomatico», ha detto Nico Dosenbach, neuroscienziato dell'Università di Washington a St. Louis, Missouri, coautore dello studio del 16 marzo. Per lui questa è la scala su cui i ricercatori dovrebbero operare quando aggiungono immagini cerebrali.

Nonostante le dimensioni del set di dati, Seidlitz, Bethlehem e i loro colleghi riconoscono che il loro studio soffre di un problema endemico degli studi di neuroimaging: una notevole mancanza di diversità. Le scansioni cerebrali che hanno raccolto provengono principalmente dal Nord America e dall'Europa e riflettono in modo sproporzionato popolazioni bianche, in età universitaria, urbane e benestanti. «Questo limita la generalizzazione dei risultati», ha affermato Sarah-Jayne Blakemore, neuroscienziata cognitiva dell'Università di Cambridge. Lo studio include solo tre set di dati provenienti dal Sud America e uno dall'Africa, che rappresentano circa l'1% di tutte le scansioni cerebrali utilizzate nello studio.

«Miliardi di persone in tutto il mondo non hanno accesso alle macchine per la risonanza magnetica, rendendo difficile ottenere vari dati di imaging cerebrale», ha avvertito Laird. Ma gli autori non hanno smesso di provare e hanno lanciato un sito Web in cui intendono aggiornare i loro grafici di crescita in tempo reale man mano che ricevono più scansioni cerebrali.

Con grandi set di dati, grande responsabilità

Un'altra sfida è stata determinare come dare il giusto credito ai proprietari delle scansioni cerebrali utilizzate per costruire la grafica. Alcune scansioni provenivano da set di dati ad accesso aperto, ma altre erano chiuse ai ricercatori. La maggior parte delle scansioni di dati chiusi non erano ancora state elaborate in un modo che consentisse loro di essere incorporate nei grafici di crescita, quindi i loro proprietari hanno svolto un lavoro extra per condividerli. Questi scienziati sono stati successivamente nominati autori dell'articolo.

Nel frattempo, i proprietari dei set di dati aperti hanno ricevuto solo una menzione nel documento, che non è così prestigioso per i ricercatori che cercano finanziamenti, collaborazioni e promozioni. Seidlitz, Bethlehem e i loro colleghi hanno elaborato questi dati. Nella maggior parte dei casi, Betlemme ha riconosciuto che non vi era essenzialmente alcun contatto diretto con i proprietari di questi set di dati. Il documento elenca circa 200 autori e cita il lavoro di centinaia di persone che hanno contribuito alle scansioni cerebrali.

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