Una rete d’azione somatocognitiva si alterna alle regioni effettrici nella corteccia motoria
Riepilogo Si pensa che la corteccia motoria (M1) formi un omuncolo somatotopico continuo che si estende attraverso il giro precentrale dal piede alle rappresentazioni facciali nonostante l’evidenza di zone funzionali concentriche e complesse mappe di azione. Qui, utilizzando metodi di risonanza magnetica funzionale di precisione (fMRI), scopriamo che l’ omuncolo classico è interrotto da regioni con connettività, struttura e funzione distinte, alternate ad aree specifiche dell’effettore (piede, mano e bocca). Queste regioni intereffettorie mostrano uno spessore corticale ridotto e una forte connettività funzionale tra loro, nonché con la rete cingolato-opercolare (CON), fondamentale per l’azione e il controllo fisiologici, l’eccitazione, gli errori e il dolore. Questa interdigitazione delle regioni effettrici motorie e di quelle legate al controllo dell’azione è stata verificata nei tre più grandi set di dati fMRI. Questi risultati, insieme a studi precedenti che dimostrano azioni complesse evocate dalla stimolazione e dalla connettività con organi interni come la midollare del surrene, suggeriscono che M1 è contrassegnato da un sistema per la pianificazione dell’azione di tutto il corpo, la rete di azione somatocognitiva (SCAN). . In M1, due sistemi paralleli si intrecciano, formando un modello di integrazione-isolamento: regioni effettrici specifiche (piede, mano e bocca) per isolare il controllo motorio fine e lo SCAN per integrare obiettivi, fisiologia e movimento del corpo. |
L’omuncolo interrotto, modello integrato-isolato di azione e controllo motorio. a, il classico omuncolo di Penfield (adattato dal riferimento 2), che rappresenta una mappa continua del corpo nella corteccia motoria primaria. b, Nel modello integrato-isolato dell’organizzazione M1, le zone funzionali specifiche dell’effettore (piede (verde), mano (ciano) e bocca (arancione)) sono rappresentate da anelli concentrici con parti del corpo prossimali che circondano quelle relativamente distali. più isolabili (dita delle mani, dei piedi e lingua). Nei punti di intersezione di questi campi si trovano le regioni intereffettorie (marrone rossiccio), che fanno parte di una rete d’azione somato-cognitiva per il controllo integrativo e allostatico dell’intero corpo. Come il disegno originale di Penfield, questo diagramma ha lo scopo di illustrare i principi organizzativi e non deve essere interpretato come una mappa accurata.
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Corpo calmo, mente calma, dicono i praticanti della consapevolezza. Un nuovo studio condotto da ricercatori della Washington University School of Medicine di St. Louis indica che l’idea che il corpo e la mente siano inestricabilmente intrecciati è più di una semplice astrazione. Lo studio mostra che parti dell’area del cervello che controllano il movimento sono collegate a reti coinvolte nel pensiero e nella pianificazione, e nel controllo delle funzioni involontarie del corpo come la pressione sanguigna e il battito cardiaco. I risultati rappresentano un vero e proprio collegamento mente-corpo nella struttura stessa del cervello.
La ricerca, pubblicata il 19 aprile sulla rivista Nature , potrebbe aiutare a spiegare alcuni fenomeni sconcertanti, come il motivo per cui l’ansia spinge alcune persone a camminare; perché stimolare il nervo vago , che regola le funzioni degli organi interni come la digestione e il battito cardiaco, può alleviare la depressione; e perché le persone che fanno attività fisica regolarmente riferiscono di avere una visione più positiva della vita.
"Le persone che meditano dicono che calmando il corpo con esercizi di respirazione, calmano anche la mente", ha detto il primo autore Evan M. Gordon, PhD, assistente professore di radiologia presso l’Istituto di Radiologia Mallinckrodt della Facoltà di Medicina. “Questo tipo di pratiche possono essere davvero utili per le persone che soffrono di ansia, ad esempio, ma fino ad ora non c’erano molte prove scientifiche su come funzioni. Ma ora abbiamo trovato una connessione. Abbiamo trovato il luogo in cui la parte altamente attiva e orientata agli obiettivi della tua mente si connette con le parti del cervello che controllano la respirazione e la frequenza cardiaca. "Se ne calmi uno, dovrebbe assolutamente avere effetti di feedback sull’altro."
Gordon e l’autore senior Nico Dosenbach, MD, PhD, professore associato di neurologia, non si proponevano di rispondere a domande filosofiche di lunga data sulla relazione tra corpo e mente. Hanno deciso di verificare la mappa consolidata da tempo delle aree cerebrali che controllano il movimento, utilizzando moderne tecniche di imaging cerebrale.
Negli anni ’30, il neurochirurgo Wilder Penfield, MD, mappò tali aree motorie del cervello erogando piccole scosse elettriche al cervello esposto di persone sottoposte a intervento chirurgico al cervello e registrando le loro risposte. Scoprì che la stimolazione di una stretta striscia di tessuto in ciascuna metà del cervello provoca la contrazione di parti specifiche del corpo. Inoltre, le aree di controllo del cervello sono disposte nello stesso ordine delle parti del corpo a cui mirano, con le dita dei piedi a un’estremità di ciascuna striscia e il viso all’altra. La mappa di Penfield delle regioni motorie del cervello, raffigurata come un omuncolo o "piccolo uomo" , è diventata un punto fermo dei libri di testo di neuroscienze.
Gordon, Dosenbach e i loro colleghi hanno iniziato a replicare il lavoro di Penfield con la risonanza magnetica funzionale (fMRI). Hanno reclutato sette adulti sani per sottoporli a ore di scansione cerebrale fMRI mentre riposavano o eseguivano attività. Da questo set di dati ad alta densità, hanno costruito mappe cerebrali personalizzate per ciascun partecipante. Hanno poi convalidato i loro risultati utilizzando tre grandi set di dati fMRI disponibili al pubblico: lo Human Connectome Project, l’Adolescent Brain Cognitive Development Study e la UK Biobank, che insieme contengono scansioni cerebrali di circa 50.000 persone.
Con loro sorpresa, scoprirono che la mappa di Penfield non era del tutto corretta. Il comando a pedale era nel punto identificato da Penfield. Lo stesso per le mani e il viso. Ma oltre a queste tre aree chiave c’erano altre tre aree che non sembravano affatto coinvolte direttamente nel movimento, anche se erano situate nell’area motoria del cervello.
Inoltre, le aree senza movimento apparivano diverse dalle aree di movimento . Apparivano più sottili ed erano fortemente collegati tra loro e con altre parti del cervello coinvolte nel pensiero, nella pianificazione, nell’attivazione mentale, nel dolore e nel controllo degli organi e delle funzioni interni, come la pressione sanguigna e la frequenza cardiaca. Altri esperimenti di imaging hanno dimostrato che mentre le aree non in movimento non si attivano durante il movimento, si attivano quando la persona pensa di muoversi.
"Tutte queste connessioni hanno senso se si pensa a cosa serve effettivamente il cervello", ha detto Dosenbach. “Il cervello è lì per comportarsi con successo nell’ambiente in modo che tu possa raggiungere i tuoi obiettivi senza farti del male o ucciderti. Muovi il tuo corpo per un motivo. Naturalmente le aree motorie devono essere collegate alle funzioni esecutive e al controllo dei processi corporei di base, come la pressione sanguigna e il dolore. Il dolore è il feedback più potente , giusto? Fai qualcosa e ti fa male, e pensi: "Non lo farò più ".
Dosenbach e Gordon hanno chiamato la loro rete appena identificata Somato (corpo)-Cognitive (mente) Action Network, o SCAN. Per capire come la rete si è sviluppata e si è evoluta, ha scansionato il cervello di un neonato, di un bambino di 1 anno e di uno di 9 anni. Hanno anche analizzato i dati precedentemente raccolti su nove scimmie. La rete non era rilevabile nel neonato, ma era chiaramente evidente nel bambino di 1 anno e quasi adulta nel bambino di 9 anni. Le scimmie avevano un sistema più piccolo e rudimentale, senza le ampie connessioni osservate negli esseri umani.
"Questo potrebbe essere iniziato come un sistema più semplice per integrare il movimento con la fisiologia in modo da non svenire , ad esempio, quando ci alziamo", ha detto Gordon. “Ma quando siamo diventati organismi in grado di pensare e pianificare in modo molto più complesso, il sistema è stato aggiornato per collegare molti elementi cognitivi molto complessi”.
Gli indizi sull’esistenza di una rete mente-corpo esistono da molto tempo, sparsi in documenti isolati e osservazioni inspiegabili.
"Penfield era brillante e le sue idee sono state dominanti per 90 anni e hanno creato un punto cieco nel campo", ha affermato Dosenbach, che è anche professore associato di ingegneria biomedica, pediatria, terapia occupazionale, radiologia e scienze psicologiche e umane. . cervello. “Una volta che abbiamo iniziato a cercarlo, abbiamo trovato molti dati pubblicati che non corrispondevano alle sue idee e interpretazioni alternative di lui che erano state ignorate. "Abbiamo raccolto molti dati diversi oltre alle nostre osservazioni, li abbiamo ingranditi e sintetizzati e abbiamo trovato un nuovo modo di pensare al modo in cui il corpo e la mente sono collegati."
Una rete per l’integrazione mente-corpo
Due sistemi di controllo comportamentale sono intervallati nell’M1 umano. Un sistema ben noto è costituito da circuiti specifici dell’effettore per movimenti precisi e isolati di appendici altamente specializzate (dita delle mani, dei piedi e della lingua), il tipo di movimento abile necessario per parlare o manipolare oggetti. Un secondo sistema di risultati integrativo , SCAN, è più importante per monitorare l’organismo nel suo insieme. Lo SCAN integra il controllo corporeo (motorio e autonomo) e la pianificazione dell’azione, coerentemente con l’idea che aspetti del controllo esecutivo di livello superiore possono derivare dalla coordinazione del movimento. Lo SCAN comprende regioni specifiche di M1, SMA, talamo (VIM e CM), putamen posteriore e cervelletto posturale, ed è funzionalmente connesso alle regioni dACC legate al libero arbitrio , alle regioni parietali che rappresentano le intenzioni di movimento e alle regioni insulari per l’elaborazione somatosensoriale, dolore e segnali viscerali interocettivi.
L’apparente espansione relativa delle regioni SCAN negli esseri umani potrebbe suggerire un ruolo in azioni complesse specifiche per gli esseri umani, come la coordinazione della respirazione per la parola e l’integrazione del movimento della mano, del corpo e degli occhi per l’uso di strumenti. . Un fattore comune in questa vasta gamma di processi è che devono essere integrati se un organismo vuole raggiungere i suoi obiettivi attraverso il movimento evitando lesioni e mantenendo l’ allostasi fisiologica . Lo SCAN fornisce un substrato per questa integrazione, consentendo cambiamenti anticipatori posturali, respiratori, cardiovascolari e di eccitazione prima dell’azione (come tensione nelle spalle, aumento della frequenza cardiaca o "farfalle nello stomaco" ).
La scoperta che l’azione e il controllo del corpo si fondono in un circuito comune potrebbe aiutare a spiegare perché gli stati della mente e del corpo interagiscono così frequentemente .
