Correlati di rischio genetici, individuali e familiari della controllabilità della rete cerebrale nel disturbo depressivo maggiore

Psichiatria molecolare, volume 28, pagine 1057–1063 (2023) Cita questo articolo

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Molti interventi terapeutici in psichiatria possono essere visti come tentativi di influenzare le transizioni di stato della rete dinamica e su larga scala del cervello. Basandosi sull'analisi dei grafici basata sul connettoma e sulla teoria del controllo, la teoria del controllo della rete sta emergendo come un potente strumento per quantificare la controllabilità della rete, ovvero l'influenza di una regione del cervello sulle altre per quanto riguarda le transizioni dinamiche dello stato della rete. Se e come la controllabilità della rete sia correlata alla salute mentale rimane sfuggente. Qui, dai dati di Diffusion Tensor Imaging, abbiamo dedotto la connettività strutturale e i parametri di controllabilità della rete calcolati per indagare la loro associazione con il rischio genetico e familiare in pazienti con diagnosi di disturbo depressivo maggiore (MDD, n = 692) e controlli sani (n = 820). Innanzitutto, stabiliamo che le misure di controllabilità differiscono tra controlli sani e pazienti con disturbo depressivo maggiore mentre non variano con la gravità dei sintomi attuali o lo stato di remissione. In secondo luogo, mostriamo che la controllabilità nei pazienti con MDD è associata a punteggi poligenici per MDD e al rischio di disturbi psichiatrici crociati. Infine, forniamo prove che la controllabilità varia con il rischio familiare di MDD e disturbo bipolare, nonché con l’indice di massa corporea. In sintesi, mostriamo che la controllabilità della rete è correlata al rischio genetico, individuale e familiare nei pazienti con disturbo depressivo maggiore. Discutiamo di come queste intuizioni sulla variazione individuale della controllabilità della rete possano informare modelli meccanicistici di previsione della risposta al trattamento e progettazione di interventi personalizzati nella salute mentale.

La teoria delle reti complesse concettualizza il cervello come un sistema dinamico che dipende dalle interazioni tra regioni cerebrali distribuite [1]. Di conseguenza, il cervello può essere visto come un’intricata rete di regioni cerebrali che sincronizzano la loro attività tramite connessioni anatomiche e funzionali. Sulla base di ciò, la teoria matematica dei grafi viene utilizzata per acquisire conoscenze sui principi organizzativi sottostanti del cervello [2, 3] e sulla sua organizzazione topologica nella salute e nella malattia [4, 5]. Ad esempio, la ridotta anisotropia frazionata globale (FA) è stata associata allo stato di remissione dei pazienti depressi, mentre la FA nelle connessioni tra le regioni frontale, temporale, insulare e parietale è risultata essere associata negativamente alla gravità dei sintomi [6, 7]. Le analisi del connettoma dei disturbi incrociati hanno ulteriormente rivelato interruzioni nelle connessioni centrali per la comunicazione e l'integrazione della rete globale, sottolineando il coinvolgimento del connettoma in un'ampia gamma di condizioni di salute mentale e neurologiche [8]. Inoltre, l’apprendimento automatico sui grafi – ad esempio le reti convoluzionali dei grafi o lo smantellamento dei grafi basato sull’apprendimento per rinforzo [9] – sta emergendo come una fruttuosa estensione dell’analisi dei grafi classica.

Anche se l’analisi classica del connettoma ha prodotto approfondimenti straordinari sull’organizzazione topologica del cervello in condizioni di salute e malattia, non migliora la nostra capacità di manipolare e controllare attivamente il cervello. Tuttavia, è proprio questa capacità di controllare le dinamiche su larga scala del cervello che facilita praticamente tutti gli interventi terapeutici in psichiatria [10, 11]. In breve, qualsiasi intervento, dai farmaci alla psicoterapia, può essere concettualizzato come un tentativo di controllare le transizioni di stato della rete dinamica su larga scala nel cervello [1, 12, 13]. La teoria del controllo, intesa come studio e pratica del controllo dei sistemi dinamici, è onnipresente in medicina e biologia [14] e inquadra qualsiasi intervento, dall'ottimizzazione della chemioterapia antitumorale [15, 16] e la progettazione di organi artificiali [17] alla gestione dei farmaci in tempo reale. strategie di difesa dalle pandemie amministrative e non farmaceutiche [18], come problema di controllo.

Integrando la teoria del controllo e la neuroscienza delle reti, i recenti progressi nella teoria del controllo della rete hanno consentito di quantificare l'influenza che una regione del cervello ha sulle transizioni dinamiche tra gli stati cerebrali [1, 12]. Questa cosiddetta controllabilità di una regione del cervello è legata alle sue proprietà di connettività strutturale che limitano o supportano le transizioni tra diversi stati cerebrali [19, 20] ed è stata fortemente correlata a una moltitudine di domini cognitivi [20]. La controllabilità di una regione del cervello viene comunemente catturata da due parametri chiave: da un lato, la controllabilità media misura la capacità di un sistema di diffondere e amplificare gli input di controllo ed è quindi indicativa della capacità del nodo di supportare transizioni di stati a bassa energia. D'altra parte, la controllabilità modale rappresenta la capacità di controllare la dinamica neurale a decadimento particolarmente rapido [21]. Per le definizioni formali delle misure di controllabilità media e modale vedere la sezione Metodi.