Jérémie Lefebvre è Professore Associato di Neuroscienze Computazionali e Neurofisiologia all’Università di Ottawa; Taufik A. Valiante è neurochirurgo e neuroscienziato presso l’Università di Toronto.

Oggi, c’è un crescente riconoscimento dell’importanza dell’equità, della diversità e dell’inclusione all’interno della società e delle sue istituzioni. Le organizzazioni all’avanguardia più progressiste considerano la diversità delle persone essenziale per il successo, la crescita, la capacità di innovazione e lo sviluppo di un’azienda.

I vantaggi della diversità, tuttavia, sono tutt’altro che confinati alle organizzazioni umane; eterogeneità e variabilità sono principi di progettazione centrali di tutti i sistemi naturali complessi, siano essi reti ecologiche, cellulari o genetiche.

Che si parli di un ecosistema, di una società o del cervello, qual è l’elemento che lega questa diversità al funzionamento e alla stabilità di un sistema complesso?

In quanto neuroscienziati, la nostra ricerca interdisciplinare e il nostro lavoro clinico ci hanno spinto nell’incredibile complessità e ricchezza del cervello umano e dei sistemi naturali. Non miriamo solo a capire meglio come funzionano i circuiti cerebrali, ma anche a sviluppare nuovi trattamenti per malattie neurologiche come l’epilessia.

Diversità fa rima con resilienza

Sviluppato per la prima volta da Darwin, il concetto che la diversità genera stabilità e sopravvivenza è stato dibattuto da scienziati di molte discipline per oltre un secolo. La capacità dei sistemi naturali di resistere al cambiamento è una caratteristica nota come resilienza. Questa caratteristica fondamentale emerge dalle interazioni tra i membri di uno stesso sistema (ad esempio, le specie di un ecosistema, gli individui di un gruppo, le cellule di un organismo) e consente a quest’ultimo di mantenere le sue funzioni nel tempo.

Il cambiamento verifica la resilienza. Alcuni ecosistemi possono adattarsi all’estinzione delle specie o alla siccità. Le comunità virtuali o i social network possono resistere agli attacchi informatici. Alcune organizzazioni possono continuare le loro attività a seguito di conflitti, guerre, rivoluzioni politiche o… pandemie. Alla luce di questi esempi comuni e di molti altri relativi alle scienze sociali o naturali, è ora più importante che mai comprendere il ruolo che la diversità gioca nel mantenere la resilienza dei sistemi complessi.

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E se si trovassero indizi nei circuiti del cervello, specialmente in un cervello con epilessia?

Dondolo in una tempesta elettrica

Per capire meglio, torniamo un po’ indietro… Da diversi anni il nostro team interdisciplinare studia l’epilessia, il disturbo neurologico grave più frequente. L’epilessia è principalmente caratterizzata dalla presenza apparentemente spontanea e ricorrente di convulsioni, spesso innescate da stress o da uno stimolo visivo (come luci lampeggianti o immagini particolari). Ricerche recenti hanno anche dimostrato che la frequenza di questi attacchi può variare a seconda dell’ora del giorno o del mese, a seconda del ritmo circadiano (ciclo veglia-sonno), ad esempio.

Visto da questa angolazione, un cervello con epilessia può essere visto come fragile e poco resiliente, che oscilla regolarmente in una tempesta elettrica. Quindi, invece di adattarsi normalmente ai cambiamenti, i neuroni diventano sproporzionatamente attivi e sincroni e l’intensa attività elettrica risultante si propaga interrompendo la funzione cerebrale.

Neuroni meno diversi

A causa delle conseguenze significative di queste crisi sui pazienti e sulle loro famiglie, il nostro team ha studiato incessantemente i circuiti responsabili dell’attivazione e ha esplorato i modi per prevenirli.

Qual è il rapporto tra diversità ed epilessia? Abbiamo recentemente misurato l’attività dei neuroni nelle persone che soffrono di questa condizione. Abbiamo quindi notato che i neuroni situati nelle regioni del cervello responsabili dell’attivazione delle convulsioni erano molto meno diversi rispetto a quelli nelle regioni non coinvolte. Questi neuroni erano stranamente simili, esibendo caratteristiche e risposte molto simili.

Questa mancanza di diversità potrebbe spiegare perché i cervelli inclini alle convulsioni sono meno resilienti?

Modelli matematici in soccorso

Per rispondere a questa complessa domanda, ci siamo rivolti alla matematica. E se, attraverso modelli matematici dei circuiti cerebrali, potessimo capire come la diversità dei neuroni (o la loro mancanza) predisponga il cervello alle convulsioni? Possiamo determinare se la diversità neurale aumenta la resilienza nel cervello? Questi modelli di rete neurale ci consentono non solo di simulare le crisi e di studiarne il meccanismo, ma anche di variare il livello di diversità espresso dai nostri neuroni simulati. Sono quindi uno strumento insostituibile per comprendere meglio il ruolo della diversità cellulare nella funzione cerebrale.

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Queste equazioni hanno rivelato che quando la diversità è troppo bassa o assente, appare spontaneamente una forma di attività che ricorda le crisi epilettiche, soggetta a improvvisi cambiamenti di sincronizzazione. Questi risultati sono inequivocabili: un ridotto livello di diversità indebolisce questi circuiti neurali, rendendoli meno resilienti e incapaci di mantenere il tipo di attività necessaria per mantenere le funzioni cerebrali.

Cosa possiamo concludere da questi risultati? Aiutano a chiarire il ruolo svolto dalla diversità e dai diversi tipi di neuroni nel mantenimento della funzione cerebrale. Ci offrono uno sguardo nuovo sulle malattie neurologiche come l’epilessia, aprendo potenzialmente la strada a nuove strade per il trattamento di queste malattie.

L’uso della matematica permette anche di approfondire alcune domande che rimangono senza risposta: esiste un livello ottimale di diversità? Quali sono i diversi tipi di diversità (tipi di neuroni, pluralità di disposizioni tra le connessioni che li collegano) e qual è la loro funzione nell’attività cerebrale? Potremmo aumentare la resilienza cerebrale promuovendo la diversità cellulare, ad esempio attraverso la neurostimolazione?

I nostri risultati sono soprattutto un lampante promemoria del ruolo primordiale che la diversità gioca nella robustezza dei sistemi naturali di fronte al cambiamento; questa verità si applica non solo ai neuroni e ai circuiti neurali, ma anche agli esseri umani e alle comunità.

Come quale diversità è il sale della vita.

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