Connectome cerebrale

de Reus MA, Saenger VM, Kahn RS, van den Heuvel MP. An edge-centric perspective on the human connectome: link communities in the brain. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 2014 Oct 5;369(1653).


La funzione cerebrale dipende da un efficiente processamento e integrazione delle informazioni in una complessa rete di interazioni neuronali, conosciute come connectome (connettone). Un aspetto importante del connectome è l’esistenza di una struttura comune, che costituisce la base anatomica per l’insorgenza della specializzazione funzionale, attraverso legami di interconnessione tra la sostanza bianca di diverse aree cerebrali. Sono state identificate undici cosiddette comunità di collegamento: cinque che attraversano la fessura della linea mediana, tre attraverso l’emisfero sinistro e tre attraverso l’emisfero destro. Sono state identificate, inoltre aree (hubs) con elevato numero di connessioni (rich club) sostenendo l’idea che questi hub svolgono un ruolo chiave come zone di confluenza in cui si fondono informazioni neurali provenienti da domini diversi.

Connectome 1

Comunità di collegamento (“Link Communities”) nel cervello umano. Le 11 LK identificate sono raffigurate colori differenti in relazione alla loro localizzazione spaziale.  Le LK che si estendono sulla fessura della linea mediana sono rappresentate da sfumature verdi, LK lateralmente a sinistra da sfumature rosse, LK lateralmente a destra da sfumature blu e le LK PC sono rappresentate in viola. Pr/Oc, precuneus/occipital community; medF, medial frontal community; midF, middle frontal communities; midT, middle temporal communities; Ph/Er, parahippocampal/entorhinal communities; PC, paracentral communities.


connectome 2

Rilevanza delle connessioni della sostanza bianca rispetto a diverse caratteristiche della rete. Le proprietà dei singoli percorsi della sostanza bianca sono state stimate confrontando le misure della rete della mappa del connettoma intatto con quelle delle mappe modificate, mancando solo la singola connessione la cui rilevanza doveva essere stimata. L’ombra di una connessione riflette la variazione della percentuale deteminata dalla sua ipotetica rimozione. Come evidenziato dalle scale dei colori, dipende dalla misurazione se le connessioni che causano l’aumento più forte (lunghezza del percorso; lunghezze del percorso lunghe sono svantaggiose per la rete) o le connessioni che causano la riduzione più forte (coefficiente di clustering, comunicabilità globale / locale) devono essere considerate più rilevanti per quella misurazione. Come riferimento, le comunità di collegamento identificate sono mostrate in alto al centro. I punteggi convenzionali tra i bordi, che rappresentano la frazione dei percorsi più brevi a cui partecipa una connessione, sono mostrati in basso al centro.


RAPPORTO CON LE REGIONI DEL CERVELLO: SOVRAPPOSIZIONE COMUNITARIA

Un importante vantaggio nella identificazione delle comunità di collegamento, invece dei nodi, è che la partecipazione della comunità delle regioni cerebrali non è limitata ad una singola comunità. Infatti, le proiezioni della sostanza bianca delle regioni cerebrali possono essere divise in sottosistemi multipli. Studiando il modo in cui i risultati incentrati sui bordi siano associali ai nodi centrali delle connessioni, è stato esaminato il numero di comunità che si uniscono in ogni singolo nodo, fornendo una misura per la diversità dei collegamenti delle regioni cerebrali.

La figura sottostante illustra la distribuzione di questi numeri di partecipazione tra le diverse arre cerebrali. È stato trovato che circa il 56% delle regioni cerebrali (38 su 68) partecipa in comunità di collegamento multiple, con un numero di partecipazione nodale compreso tra due e un massimo di otto comunità per nodo. Una partecipazione della comunità di collegamento relativamente diversificata dei nodi può essere correlata a recenti osservazioni che mostrano che molte regioni del cervello partecipano a più domini funzionali e quindi sono, in una certa misura, coinvolte in processi neurali multimodali.

 

 

Connectome 3

Sovrapposizione dei LK delle regioni cerebrali.
Il colore di ciascuna regione cerebrale delle superficie corticale indica il numero di comunità di collegamento.
La maggior parte delle regioni cerebrali (56%) partecipano nelle LK

Tra le diverse regioni analizzate, sono state trovate regioni hub putative come l’insula, il precuneus e la corteccia frontale superiore coinvolte in una varietà di comunità di collegamento. Questa diversa partecipazione della comunità di collegamento delle regioni del cervello potrebbe riflettere un’organizzazione interna multimodale che emerge da diverse sottoparti (funzionali). A favore di questa ipotesi, è stato dimostrato che la parte anteriore dell’insula si proietta verso la corteccia temporale media e inferiore, verso le regioni frontali e verso la corteccia cingolata anteriore, mentre l’insula mediano-posteriore proietta verso le regioni premotoria e sensomotoria e la parte posteriore corteccia medio-cingolata. Anche la corteccia frontale superiore, che ha mostrato il maggior numero di partecipazione, può presentare diverse sottoparti funzionalmenti distinte sottolineando una possibile relazione tra il coinvolgimento della comunità di collegamento e l’eterogeneità interna delle regioni cerebrali.

Il marcato coinvolgimento delle regioni hub in un’ampia varietà di comunità di collegamento supporta anche l’ipotesi che gli hub cerebrali possano svolgere un ruolo chiave come zone di confluenza in cui si fondono informazioni neurali provenienti da domini diversi.

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