Què és la connectivitat cerebral?

Durant els darrers anys, el terme "connectivitat cerebral" ha guanyat molta popularitat i apareix en molts articles divulgatius sobre neurociències. Tanmateix, la majoria de vegades tenim una idea vaga del que realment significa aquest concepte, quins són els processos biològics subjacents i de quina manera l’estudi de la connectivitat cerebral ens pot ajudar a comprendre millor el funcionament del nostre cervell, tant en condicions fisiològiques normals com en condicions patològiques.

Per aprofundir en la qüestió de la connectivitat cerebral en aquest article, comptem amb el coneixement i l’experiència de Raffaele Cacciaglia, Doctor en Neurociències i investigador del Barcelonaβeta Research Center (BBRC), centre de recerca de la Fundació Pasqual Maragall. A més a més, forma part i és docent del Grup de Recerca en Neurociència Cognitiva (BrainLab) de la Universitat de Barcelona.  Les línies de recerca del Dr. Cacciaglia estan relacionades amb la connectivitat cerebral estructural i funcional i la seva relació amb els biomarcadors de la malaltia d’Alzheimer. 

Analitzar aquests mecanismes cerebrals subjacents en les primeres fases de l’Alzheimer és essencial, ja que obre la porta al disseny d’intervencions terapèutiques eficients per retardar o prevenir la malaltia.

Què s’entén per connectivitat cerebral?

Des del punt de vista didàctic, la connectivitat cerebral és l’objecte d’estudi d’una disciplina anomenada connectòmica. Es tracta d’una branca de les neurociències, més concretament, del camp de la neuroimatge. Aquesta disciplina analitza el cervell humà des del punt de vista de les connexions entre les seves diferents àrees, identificant així la presència de xarxes neuronals. Tanmateix, és important destacar que la connectòmica no és exclusiva de les neurociències, sinó que s’aplica a qualsevol disciplina que estudiï sistemes complexos amb elements interconnectats, com la biologia, la genètica, la sociologia o, fins i tot, l’urbanisme.

Per comprendre plenament el concepte de connectivitat cerebral, cal tenir en compte que el cervell, no només l’humà, és l’òrgan més complex que existeix i, en termes generals, el sistema més complex que podem estudiar. Aquesta complexitat deriva de múltiples factors, com per exemple el fet que està compost per cèl·lules que formen àrees cerebrals interconnectades. Per complicar-ho encara més, aquestes connexions no són estàtiques, sinó que es modifiquen en funció de processos immediats, com l’execució de tasques complexes, i de processos a llarg termini, com el desenvolupament cerebral i l’envelliment.

Per explicar la connectivitat als seus estudiants, el Dr. Cacciaglia acostuma a utilitzar la metàfora de la xarxa del metro de Barcelona, o de qualsevol altra ciutat gran. Observant aquesta xarxa, ens adonem que consta de diferents estacions, on les persones poden pujar o baixar, i per connexions entre les mateixes estacions. 

Perquè la ciutat de Barcelona funcioni de manera eficient, és essencial que la xarxa de metro estigui coordinada i sigui ràpida i segura. De la mateixa manera, el cervell funciona a través d’una xarxa d’àrees cerebrals interconnectades, garantint que la informació es distribueixi de manera efectiva als centres encarregats del seu processament.

Tipus de connectivitat cerebral

La connectivitat cerebral es pot estudiar a diferents escales. Per exemple, es poden analitzar les connexions entre neurones individuals o entre regions cerebrals. Tanmateix, la definició d’aquestes regions sovint és arbitrària: el cervell pot dividir-se en 10, 20, 45 o, fins i tot, 300 regions, i aquests nombres són purament aleatoris i varien segons el criteri emprat per generar el mapa de connectivitat. Si adoptem criteris purament morfològics, obtindrem uns mapes determinats; en canvi, amb criteris funcionals, basats en les activitats realitzades per diferents poblacions neuronals, n’obtindrem d’altres.

Hi ha diversos tipus de connectivitat cerebral:

1. Connectivitat estructural

És la forma més intuïtiva i es basa en l’existència de connexions físiques entre neurones o àrees cerebrals, realitzades a través de feixos de fibres nervioses: els axons. Els axons constitueixen la substància blanca del cervell i són els encarregats de transportar la informació cerebral, exactament com les connexions entre les estacions d’una xarxa de metro. 

Els estudis sobre aquesta connectivitat han permès identificar fascicles de substància blanca, com per exemple:

• El cos callós, que connecta els dos hemisferis cerebrals i possibilita la comunicació entre ells.
• El fascicle arquejat, que connecta l’àrea de Broca i l’àrea de Wernicke, dues àrees fonamentals per a la producció i comprensió del llenguatge, respectivament.
• El fascicle longitudinal superior, que connecta els lòbuls frontal, parietal i occipital, possibilitant funcions cognitives complexes com la planificació motora, l’atenció i la coordinació visuoespacial.

2. Connectivitat funcional

A diferència de l’estructural, no requereix cap connexió física i directa entre regions cerebrals. Es basa en la coactivació de múltiples regions durant l’execució de tasques específiques. Entre les principals xarxes funcionals identificades hi ha:

• La xarxa neuronal per defecte (default mode network - DMN), que està implicada en l’autorreferencialitat o capacitat d’introspecció, la memòria autobiogràfica i la planificació del futur.
• La xarxa frontoparietal, essencial per al control executiu i l’adaptació cognitiva.
• La xarxa d’atenció dorsal, que gestiona l’atenció sostinguda i voluntària.
• La xarxa d’atenció ventral, que detecta estímuls inesperats o rellevants en l’entorn.

Un dels descobriments més fascinants en el camp de la neurociència dels darrers 20 anys és que aquestes xarxes funcionals també s’activen en estat de repòs, indicant així que el cervell està configurat per realitzar les seves activitats coordinant i orquestrant totes les àrees que el componen. La Figura 1 mostra les principals xarxes funcionals en estat de repòs. 

Figura 1. Principals tractes de substància blanca mesurats mitjançant tractografía derivada d'imatges ponderades per difusió (DWI).        Font: Perino et al. (2021).

Com es mesura la connectivitat cerebral?

La connectivitat cerebral es pot mesurar in vivo mitjançant tècniques de neuroimatge o invasives, com per exemple:

• Imatge potenciada en difussió (diffusion weighted imaging - DWI). És una tècnica utilitzada per estudiar la connectivitat estructural a través de la ressonància magnètica ponderada per difusió. Aquesta seqüència de ressonància magnètica permet detectar l’orientació de les fibres de substància blanca, els axons descrits anteriorment, gràcies al mesurament de la difusió de les molècules d’aigua dins del cervell. En alguns casos específics, i segons les hipòtesis experimentals, es poden identificar xarxes estructurals fins i tot amb imatges T1, les més convencionals, també mitjançant ressonància magnètica. Podem veure una mostra d’imatges derivades de la tècnica DWI a la Figura 2.

• 
  Figura 2. Principals tractes de substància blanca mesurats mitjançant tractografía derivada d'imatges ponderades per difusió (DWI). Font: BBRC.
  

• Resonancia magnética funcional (fMRI), electroencefalografía (EEG) o magnetoencefalografía (MEG). Las tres son herramientas ideales para estudiar la conectividad funcional, analizando la actividad cerebral coordinada entre regiones a lo largo del tiempo.

Relevancia del estudio de la conectividad cerebral en la investigación del AlzheimeRellevància de l’estudi de la connectivitat cerebral en la investigació de l’Alzheimer

La connectivitat cerebral és crucial per al funcionament cognitiu. Molts estudis han demostrat que la salut de les xarxes cerebrals afecta la memòria, les funcions executives i l’aprenentatge. Nombroses evidències indiquen que l’estudi de la connectivitat cerebral és rellevant per avançar en el coneixement de la malaltia d’Alzheimer:

1. Les persones amb demència a causa de l’Alzheimer presenten alteracions significatives en les xarxes funcionals i estructurals, especialment en la xarxa neuronal per defecte (DMN).
   
   
2. Aquestes alteracions també són evidents en persones cognitivament sanes amb alteracions fisiopatològiques típiques de l’Alzheimer (elevada presència de proteïnes amiloide i tau).
   
   
3. Les àrees cerebrals que acumulen amiloide són les mateixes àrees de la DMN.
   
   
4. La propagació de la patologia tau segueix les connexions estructurals intrínseques del cervell.
   
   
5. S’ha observat que, en presència de la malaltia d’Alzheimer, una adequada reorganització cerebral en resposta a la patologia pot mantenir durant molts anys un rendiment cognitiu satisfactori.

Com mantenir el cervell en forma?

Per mantenir les xarxes neuronals en forma i, per tant, la connectivitat cerebral en òptimes condicions, cal fer un enfocament holístic que involucri el cos i la ment: 

• L’exercici físic regular, com caminar, córrer o practicar ioga, millora la circulació sanguínia i afavoreix la salut cerebral. 
• Una dieta equilibrada, rica en fruites, verdures, peix i greixos saludables, aporta al cervell nutrients essencials. 
• Dormir prou i bé és fonamental: el son ajuda a consolidar les connexions neuronals i a eliminar les toxines acumulades en el cervell. 
• Estimular la ment amb la lectura, jocs de lògica o que requereixin fer un esforç mental, i l’aprenentatge de noves habilitats o idiomes enforteix les connexions cerebrals. 
• Socialitzar també és important, ja que interactuar amb altres persones promou la plasticitat cerebral i redueix el risc de deteriorament cognitiu. 
• Reduir l’estrès mitjançant la meditació, el mindfulness o tècniques de relaxació protegeix el cervell dels efectes negatius del cortisol, una hormona danyosa a llarg termini. 
• Evitar hàbits nocius, com fumar o consumir alcohol en excés, prevé danys estructurals i funcionals al cervell. 
• Finalment, els controls mèdics regulars per monitoritzar la pressió arterial, el colesterol i els nivells de sucre a la sang poden prevenir problemes cardiovasculars que afecten negativament el cervell. Un cervell actiu i estimulat és la millor inversió per gaudir d’un envelliment saludable.

Aquest article ha estat elaborat per l'equip editorial del Blog Parlem de l'Alzheimer de la Fundació Pasqual Maragall.

Referències d’interès

• Cacciaglia R, Molinuevo JL, Falcon C, Arenaza-Urquijo EM, Sanchez-Benavides G, Brugulat-Serrat A, Blennow K, Zetterberg H, Gispert JD, study A (2020). APOE-epsilon4 Shapes the Cerebral Organization in Cognitively Intact Individuals as Reflected by Structural Gray Matter Networks. Cereb Cortex 30:4110-4120.
• Cacciaglia R, Operto G, Falcon C, de Echavarri-Gomez JMG, Sanchez-Benavides G, Brugulat-Serrat A, Mila-Aloma M, Blennow K, Zetterberg H, Molinuevo JL, Suarez-Calvet M, Gispert JD, study A (2023). Genotypic effects of APOE-epsilon4 on resting-state connectivity in cognitively intact individuals support functional brain compensation. Cereb Cortex 33:2748-2760.
• Greicius MD, Srivastava G, Reiss AL, Menon V (2004). Default-mode network activity distinguishes Alzheimer's disease from healthy aging: evidence from functional MRI. Proc Natl Acad Sci U S A 101:4637-4642.
• Perino MT, Myers MJ, Wheelock MD, Yu Q, Harper JC, Manhart MF, Gordon EM, Eggebrecht AT, Pine DS, Barch DM, Luby JL, Sylvester CM (2021) Whole-Brain Resting-State Functional Connectivity Patterns Associated With Pediatric Anxiety and Involuntary Attention Capture. Biol Psychiatry Glob Open Sci 1:229-238.
• Seguin C, Sporns O, Zalesky A (2023). Brain network communication: concepts, models and applications. Nat Rev Neurosci 24:557-574.
• Vogel JW, Corriveau-Lecavalier N, Franzmeier N, Pereira JB, Brown JA, Maass A, Botha H, Seeley WW, Bassett DS, Jones DT, Ewers M (2023). Connectome-based modelling of neurodegenerative diseases: towards precision medicine and mechanistic insight. Nat Rev Neurosci 24:620-639.