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Studiare il cervello, progettare il futuro
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Studiare il cervello, progettare il futuro

E’ uno dei progetti di ricerca su cui l’Unione Europea in questi anni sta investendo di più in assoluto: 1,19 miliardi di euro entro il 2023. Ci lavorano 113 tra istituti ed enti in tutto il mondo, fra cui il LENS (Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non lineare) e la stessa Università di Firenze. Si tratta di una delle sfide più innovative nello sviluppo della conoscenza. Stiamo parlando di Human Brain Project (HBP), una vera e propria rete di ricerche internazionali con lo scopo finale di costruire un simulatore dell’intera attività del cervello. Il meeting annuale del progetto si è svolto a Firenze dal 12 al 15 ottobre al Palazzo degli Affari:  il primo giorno HBP si è presentato per la prima volta al grande pubblico con un Open Day in cui sono stati esposti i risultati già raggiunti dal progetto. Ne parliamo con il coordinatore dell’evento, Francesco Saverio Pavone, direttore del LENS  e membro del Science and Infrastructure Board di HBP.

 

Professore, la ricerca dell’Human Brain Project ci proietta nel futuro. Ci può dettagliare meglio l’intento di questo lavoro fortemente interdisciplinare e di respiro internazionale?

Human Brain Project ha lo scopo di costruire un simulatore dell’intera attività del cervello umano, mettendo insieme le informazioni e le immagini che i ricercatori hanno acquisito sul funzionamento e la morfologia delle molecole, dei neuroni e dei circuiti neuronali, abbinate a quelle sui più potenti database attualmente sviluppati grazie alle tecnologie ICT.

Qual è il senso di una ricostruzione completa del cervello?

Un modello con cento miliardi di neuroni – quanti si pensa costituiscano il nostro cervello - permetterebbe di studiare possibili terapie per contrastare malattie degenerative del sistema nervoso. Si aprirebbe la strada a una migliore comprensione delle basi neurali della cognizione, del comportamento, della memoria e delle malattie aprendo la strada a nuovi trattamenti. Ma un altro sterminato campo applicativo è dato dal contributo delle nuove conoscenze alla realizzazione di supercomputer intelligenti.

Il cervello umano è un capolavoro di complessità e di efficienza.

Ciascun neurone prende contatto con molte altre cellule più o meno vicine, andando a formare un’immensa rete di connessioni attraverso la quale vengono scambiate miriadi di informazioni. La funzione stessa del sistema nervoso si basa sulla comunicazione tra grosse popolazioni di neuroni attraverso differenti regioni del cervello; per comprendere appieno il funzionamento di questa rete, risulta indispensabile mappare queste connessioni a livello della singola cellula all’interno di tutto il cervello.

Human Brain Project si compone di dodici sottoprogetti che vedono impegnati più di cento realtà di ricerca. In uno di essi il LENS è in prima linea. Di che cosa si occupa e quali sono i risultati finora raggiunti?

Ci occupiamo di imaging, cioè di quel processo attraverso il quale è possibile osservare un'area di un organismo non visibile dall'esterno. Nello specifico, l’imaging del tessuto nervoso pone delle grossi sfide in termini, per esempio, di velocità di acquisizione di grossi volumi di campione con risoluzioni spaziali elevate, in grado di distinguere singoli neuroni. Tali problematiche hanno richiesto lo sviluppo di particolari tecnologie, non invasive e versatili, come la microscopia a foglio di luce, che utilizza la tecnologia laser e telecamere superveloci.

Quali sono i vantaggi di questa tecnica?

In breve rapidità di acquisizione, grande capacità di sezionamento ottico e basso fotodanneggiamento del tessuto. Tutto questo ha consentito la ricostruzione  di campioni molto grandi. Attraverso questa tecnica, inoltre, il campione è sezionato otticamente: si riduce drasticamente il tempo di acquisizione delle immagini e si evita il taglio del campione stesso. In questo caso il LENS ha messo a punto un nuovo sistema che introduce delle soluzioni tecnologiche che aumentano di venti volte il rapporto segnale rumore, cioè la qualità dell’immagine, rispetto ad un sistema tradizionale. Tra queste soluzioni abbiamo sviluppato un nuovo sistema di autofocus che si può adattare a qualsiasi tipo di microscopia e che stiamo brevettando insieme ad UNIFI.  Ma c’è un ulteriore risultato che abbiamo conseguito.

Quale?

E’ necessario che il campione sia trasparente, mentre normalmente, i tessuti biologici sono opachi a causa della dispersione della luce all’interno di essi. Questo avviene perché l'indice di rifrazione delle macromolecole è diverso da quella dell'acqua che li circonda. Per ridurre la dispersione e per rendere il tessuto quasi trasparente l’indice di rifrazione deve essere omogeneizzato dentro e fuori il campione. Un nostro primo risultato all’interno di HBP è stato quello di introdurre  l’utilizzo di una sostanza - chiamata 2,2’-tiodietanolo (TDE) – che permette di far diventare trasparenti  i campioni da analizzare. La nuova tecnologia – oggetto anche di una pubblicazione del mio gruppo di ricerca su Scientific Reports della rivista “Nature” -  consente di effettuare analisi della struttura neuronale e vascolare ottenendo immagini ad alta risoluzione.

Quali le possibili applicazioni?

In futuro sarà possibile utilizzare questa tecnica per lo studio di patologie come l’ictus cerebrale, che porta alla lacerazione del tessuto neuronale e vascolare di una specifica area del cervello. Studi preliminari mostrano come la riabilitazione fisica porti a una riorganizzazione della rete neuronale e vascolare così da compensare il danno subito. La possibilità di osservare i cambiamenti che avvengono a livello neuronale e vascolare permetterà di sviluppare terapie sempre più mirate a garantire un veloce recupero delle funzioni cerebrali. 

Nei vostri studi siete stati affiancati da ricercatori di diversi dipartimenti del nostro Ateneo. Quali?

Collaboriamo con colleghi del dipartimento Neurofarba (Neuroscienze, psicologia, area del farmaco e salute del bambino), del dipartimento di Fisica e astronomia e del dipartimento di Ingegneria dell’informazione, oltre che con l’Azienda  ospedaliero-universitaria Meyer. 

Ci sono esempi di altri primi importanti risultati all’interno di Human Brain Project?

Certamente. Uno è frutto di un sottoprogetto che lavora al supercomputer. Il gruppo di ricerca capitanato da Karlheinz Meier, dell’Università di Heidelberg, ha realizzato un prototipo di chip neuromorfico, cioè un chip realizzato con il materiale consueto, il silicio, ma con un’architettura diversa, che si ispira al funzionamento del cervello. La peculiarità di questa realizzazione è data dalla possibilità di “parallelizzare” , cioè di processare in maniera parallela (al modo del cervello)  dati ed elaborazioni e da un’eccezionale efficienza energetica, con un risparmio notevolissimo se si tiene conto che attualmente un supercomputer consuma un’energia  un miliardo di volte superiore rispetto a quella del cervello (decine di Gigawatt in confronto di 20 Watt usati dal cervello per un’operazione).

In sostanza questi tipi di chip sono in grado di imitare il modo con cui le reti di neuroni biologici rispondono e si adattano “plasticamente" quando entrano a contatto con gli stimoli esterni.

Può dirci un altro risultato di HBP?

Quello raggiunto da un altro gruppo di ricerca tedesco, guidato da Katrin Amunts, dell’Università di Dusseldorf e di un centro di ricerca a Jülich, attraverso l’analisi al microscopio in campo largo di cervello umano - si parla, ovviamente, di donatori.  Sfruttando il fatto che le fibre del cervello alterano il passaggio della luce mutandone la polarizzazione - è un fenomeno che si chiama birifrangenza - si è ricostruita la distribuzione spaziale tridimensionale delle reti di connessioni nervose. Tale risultato permetterà di conoscere le alterazioni che accadono in presenza di particolari tipologie di malattie e fornirà dati per simulazioni sulle varie aree del cervello. (ddb)

 

 

 

 

 
ultimo aggiornamento: 18-Ott-2016
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