Che cosa succede nel cervello quando una persona perde la coscienza dopo un grave danno cerebrale? E soprattutto, perché in alcuni pazienti il cervello riesce lentamente a recuperare mentre in altri la situazione rimane più a lungo invariata? Una nuova ricerca pubblicata su PNAS prova a rispondere a queste domande utilizzando un modello computerizzato del cervello, con l'obiettivo di capire meglio anche un fenomeno ancora difficile da spiegare: in alcuni pazienti con disturbi della coscienza, farmaci che aumentano l'attività di un sistema normalmente inibitorio del cervello possono avere un effetto apparentemente sorprendente e favorire un ritorno della risposta.
I disturbi della coscienza possono comparire dopo diversi tipi di lesione cerebrale, per esempio in seguito a un arresto cardiaco, a un trauma cranico, a un ictus o ad altre condizioni che compromettono il funzionamento delle reti cerebrali. Il coma rappresenta la forma più profonda: la persona non è sveglia e non mostra segni di consapevolezza. In altri casi, invece, possono comparire segnali minimi e intermittenti di consapevolezza, dando origine a condizioni cliniche più complesse. Per molto tempo si è pensato soprattutto al danno delle singole aree del cervello. Oggi, però, la ricerca sta mostrando quanto siano importanti anche i collegamenti tra le diverse regioni. La coscienza non dipende infatti da un unico “punto” del cervello, ma dal funzionamento coordinato di numerose reti che devono riuscire a comunicare tra loro.
Ed è proprio questo che i ricercatori hanno cercato di ricostruire al computer. Lo studio ha utilizzato una rete neurale a picchi, un modello che cerca di riprodurre alcuni aspetti dell'attività dei neuroni reali. Nel modello sono stati inseriti neuroni eccitatori e inibitori organizzati in modo simile, per quanto semplificato, a quello osservato nel cervello umano. I ricercatori hanno poi simulato diversi tipi di lesione per vedere come cambiava il comportamento della rete. La cosa interessante è che non tutte le lesioni producono lo stesso effetto. Il modello ha mostrato differenze a seconda del tipo di neuroni colpiti e della distribuzione del danno. Le lesioni che interessavano i neuroni eccitatori tendevano a compromettere maggiormente il recupero spontaneo rispetto a quelle che interessavano i neuroni inibitori. Anche la posizione del danno sembrava avere un peso: le lesioni localizzate potevano compromettere il funzionamento della rete più di quelle distribuite in modo diffuso.
A questo punto entra in gioco il GABA, uno dei principali neurotrasmettitori inibitori del cervello. In condizioni normali, il GABA contribuisce a frenare l'attività dei neuroni e a mantenere l'equilibrio tra eccitazione e inibizione. Potrebbe sembrare quindi strano pensare che aumentare l'azione del GABA possa aiutare un cervello che funziona già poco. Eppure esiste un fenomeno osservato in alcuni pazienti che ha attirato da tempo l'attenzione dei neurologi. Alcune persone con disturbi della coscienza hanno mostrato un miglioramento temporaneo dopo l'assunzione di zolpidem, un farmaco che agisce sui recettori GABA-A. Non succede alla maggior parte dei pazienti e il meccanismo di questo effetto, definito “paradossale”, non è ancora completamente chiarito.
Il nuovo studio prova a dare una spiegazione a questo fenomeno attraverso il modello computerizzato. I ricercatori hanno simulato l'effetto dei farmaci che aumentano l'attività dei recettori GABA-A aumentando l'efficacia delle connessioni inibitorie all'interno della rete. Il risultato è stato particolarmente interessante quando il danno riguardava soprattutto i circuiti inibitori. In queste condizioni, aumentare ulteriormente l'attività inibitoria poteva aiutare la rete a recuperare un equilibrio tra i segnali eccitatori e quelli inibitori. Il recupero, però, non era uguale in tutte le situazioni: sembrava esserci una sorta di finestra terapeutica, nella quale l'aumento dell'inibizione poteva essere utile, mentre un intervento troppo forte poteva non produrre lo stesso effetto.
Detto in maniera semplice, il cervello potrebbe avere bisogno non semplicemente di “più attività”, ma della giusta quantità di attività e di controllo. Se una parte della rete viene danneggiata, l'equilibrio può saltare. In determinate condizioni, rafforzare i segnali inibitori potrebbe paradossalmente aiutare la rete a organizzarsi meglio e a tornare a funzionare. È un po' come cercare di rimettere in equilibrio un sistema che ha perso il suo ritmo: aggiungere energia non è necessariamente la soluzione. A volte bisogna prima ristabilire il modo in cui le diverse componenti si regolano tra loro.
Naturalmente, questo non significa che i farmaci che agiscono sul GABA possano essere utilizzati indistintamente per “risvegliare” le persone in coma. Al contrario, lo studio sottolinea proprio quanto la risposta possa dipendere dal tipo e dalla distribuzione del danno cerebrale. Nel modello, infatti, l'effetto dell'aumento dell'inibizione cambiava a seconda della lesione. Il valore della ricerca è quindi soprattutto nel tentativo di spiegare un fenomeno clinico che ancora oggi presenta molti interrogativi. I disturbi della coscienza non sono tutti uguali e due persone con diagnosi simili possono avere lesioni e reti cerebrali funzionanti in modo molto diverso.
Capire queste differenze potrebbe diventare importante anche per il futuro della medicina. Uno degli obiettivi della ricerca sui disturbi della coscienza è infatti arrivare a trattamenti sempre più personalizzati, capaci di intervenire sui circuiti ancora funzionanti invece di utilizzare lo stesso approccio per tutti. Il modello sviluppato dai ricercatori potrebbe servire proprio a questo: simulare diversi tipi di danno e osservare come la rete reagisce a determinate modifiche farmacologiche. Prima di poter trasferire queste conclusioni alla pratica clinica, però, saranno necessari studi sperimentali e clinici che verifichino se i meccanismi osservati al computer corrispondano davvero a ciò che accade nel cervello dei pazienti.
La ricerca aggiunge comunque un elemento importante alla comprensione della coscienza. Il cervello non sembra funzionare semplicemente come un interruttore acceso o spento. Quando una persona perde coscienza dopo una lesione, alcune reti possono essere gravemente compromesse mentre altre continuano a funzionare, magari in modo alterato. Il recupero può dipendere dalla capacità di queste reti di ritrovare un equilibrio e di tornare a comunicare correttamente. Ed è proprio qui che si concentra l'interesse dello studio pubblicato su PNAS: capire se, in determinate condizioni, modificare l'equilibrio tra eccitazione e inibizione possa aiutare una rete cerebrale danneggiata a recuperare parte della propria attività. Per ora è un'ipotesi studiata attraverso un modello matematico e non una terapia pronta per essere utilizzata. Ma potrebbe aiutare a spiegare perché, in una piccola parte dei pazienti, un farmaco apparentemente “sedativo” possa produrre un effetto opposto e favorire temporaneamente il ritorno di alcune funzioni legate alla coscienza. Una delle grandi sfide sarà ora capire quali cervelli possono ancora avere questa capacità di recupero e come riuscire a riconoscerli.
