Enrico Amico, a capo dello studio "When makes you unique: Temporality of the human brain fingerprint" (a destra) insieme al primo autore Dimitri Van de Ville. Foto: Alain Herzog, EPFL

Le impronte digitali che abbiamo sulla punta delle dita sono uniche in ognuno di noi, tant'è vero che è possibile riconoscere un individuo a partire proprio da queste impronte. Eppure, qualcosa di simile vale per la nostra attività cerebrale, che può essere monitorata in un certo lasso di tempo con la tecnica di risonanza magnetica funzionale (fMRI). Sulla base delle informazioni ottenute da queste scansioni vengono poi costruiti degli schemi colorati che rappresentano graficamente l'attività cerebrale della persona che si trovava nello scanner di risonanza magnetica in quel periodo di tempo. Questi schemi, chiamati connettomi funzionali, possono essere analizzati e interrogati per capire, ad esempio, che tipo di attività stesse svolgendo l'individuo durante la scansione del suo cervello.
Ebbene, nel 2015 un gruppo di ricercatori dell'università di Yale ha scoperto che il connettoma di ognuno di noi ha qualcosa di unico. In altre parole: la rappresentazione grafica dell'attività cerebrale di ogni persona è una sorta di codice QR grazie al quale è possibile riconoscere la persona stessa.

Siccome i ricercatori di Yale avevano identificato queste impronte digitali cerebrali eseguendo scansioni che duravano vari minuti, Enrico Amico, neuroscienziato dell'EPFL - Scuola politecnica federale di Losanna, e il suo team si sono chiesti quanto tempo fosse necessario per rilevare un'impronta cerebrale tramite la risonanza magnetica funzionale e se esista un determinato momento durante la fMRI in cui queste impronte sono visibili. Per ottenere una risposta hanno eseguito tali scansioni sulla base di diverse scale temporali. Abbiamo chiesto al dottor Amico di raccontarci i risultati principali di questo lavoro, recentemente pubblicato su Science Advances.

“Nel mio lavoro mi occupo di modellare i dati raccolti con la risonanza magnetica funzionale per creare dei modelli di rete basati sulla attivazione cerebrale”, spiega Amico. “Il modello di rete ci permette di analizzare la sincronia tra differenti regioni del cervello e investigare come queste aree comunichino tra loro. Questo modello, che prende il nome di connettoma funzionale, è una sorta di matrice o schema colorato in cui le macchie di colore identificano delle regioni che sono in sincronia oppure in completa antisincronia. La cosa divertente è che il connettoma, che altro non è se non una sintesi dell'attività cerebrale di ciascuno di noi nello scanner, contiene delle informazioni su quello che facciamo: ci permette di capire se stiamo dormendo, guardando un film, oppure svolgendo altri tipi di attività.

Nel 2015 si è scoperto che queste matrici colorate rappresentano, in un certo senso, un codice a barre cerebrale che permette di identificare ciascuno di noi. Il primo studio sul brain fingerprint è stato condotto da alcuni neuroscienziati dell'università di Yale, i quali hanno sottoposto i partecipanti all'esperimento alla fMRI in due momenti diversi a un giorno di distanza. Confrontando i connettomi ottenuti nel corso delle due scansioni, hanno scoperto che era possibile riconoscere i due connettomi che appartenevano alla stessa persona e quindi riconoscere le persone attraverso i loro connettomi funzionali con una percentuale di successo del 95% in stato di riposo. Questo risultato è senza dubbio impressionante se pensiamo che queste matrici sono semplicemente degli schemi dell'attività del nostro cervello. A partire da questa scoperta si è aperto il filone di ricerca sul brain fingerprint nel quale ho deciso di inserirmi, poiché trovavo l'argomento estremamente affascinante”.

Un esempio di connettoma cerebrale. Non ricorda vagamente un codice QR? Foto: Enrico Amico, EPFL

Nel loro ultimo lavoro, Amico e il suo team sono andati alla ricerca del “quando”, più che del “cosa”. Il loro scopo, infatti, era quello di capire quanto tempo serva per identificare un'impronta cerebrale, se esista un particolare momento in cui è possibile rilevarla nel corso di una scansione dell'attività cerebrale, e con quali tempi le diverse aree del cervello iniziano a mostrare tale impronta.

“Ho iniziato a lavorare sul brain fingerprint mentre svolgevo il post dottorato negli Stati Uniti”, continua Amico. “Avevo un sacco di domande a riguardo. Mi chiedevo, ad esempio: se le impronte digitali che abbiamo sulle mani non cambiano molto giorno dopo giorno, quelle cerebrali, essendo basate sulla dinamica del nostro cervello, possono mutare nel tempo?
Nel nostro ultimo lavoro abbiamo cercato di rispondere ad alcuni interrogativi del genere: in che momento della risonanza magnetica iniziano ad apparire le impronte? E in che modo le diverse aree del cervello contribuiscono alla loro comparsa?
Abbiamo anche cercato di capire se esista una scala temporale ottimale affinché questa appaia e abbiamo scoperto qualcosa di molto interessante a riguardo: non c'è bisogno di restare in uno scanner per 5, 10 o 30 minuti per vedere il codice a barre celebrale. Sono sufficienti 100 secondi. Abbiamo scoperto inoltre l'esistenza di alcuni picchi di identificabilità cerebrale associati alle attività neuronale dell'individuo che appaiono e scompaiano molto velocemente.

Oltre a questo, abbiamo potuto osservare che le varie regioni del cervello contribuiscono a questa identificazione cerebrale su diverse scale temporali. Possiamo immaginare la comparsa di un'impronta cerebrale come un processo simile a quello a cui assistiamo quando scattiamo una foto con una macchina fotografica istantanea, come ad esempio una Polaroid. Dopo aver eseguito lo scatto, dobbiamo aspettare un certo lasso di tempo perché l'immagine compaia. Possiamo osservare, però, che essa non si rende visibile tutta in una volta: alcune aree, linee e colori appaiono prima di altri. Allo stesso modo, alcune regioni cerebrali iniziano ad apparire nelle impronte cerebrali con tempi più brevi rispetto alle altre. Le regioni sensoriali, che sono in un certo senso le più primitive del nostro cervello, legate alla risposta agli stimoli esterni e all'integrazione multisensoriale, sono le prime che, attivandosi, iniziano a disegnare le impronte cerebrali. Con il passare del tempo iniziano poi a comparire altre linee che compongono la nostra impronta, ovvero quelle legate all'attività delle regioni frontali, che sono associate al ragionamento e alle funzioni cognitive complesse”.

Foto: Enrico Amico, EPFL

Lo studio delle impronte digitali cerebrali potrebbe avere in futuro anche un'applicazione in ambito clinico: nella diagnostica, ad esempio. Infatti, racconta Amico, “il passo successivo della ricerca, a cui sto lavorando con il mio gruppo, sarà scoprire cosa succede a queste impronte cerebrali in presenza di neuropatologie, in particolare dell'Alzheimer. I risultati preliminari suggeriscono che nei pazienti che soffrono di questa malattia sia più difficile distinguere le impronte cerebrali, come se una parte dell'identità cerebrale fosse andata perduta. Si tratta di una possibilità spaventosa e allo stesso tempo affascinante che vogliamo approfondire nei nostri prossimi studi”.