I modelli al computer potrebbero essere il prossimo passo nella decodifica del cervello

Di Mary Brophy Marcus

16 settembre 2022 - Per tutto il giorno le cellule cerebrali inviano e ricevono messaggi attraverso segnali elettrici e chimici. Questi messaggi vi aiutano a fare cose come muovere i muscoli e usare i sensi, come assaggiare il cibo, sentire il calore di una stufa o leggere le parole di questa pagina.

Se riuscissimo a capire meglio come questi messaggi vengono inviati e ricevuti, otterremmo potenti intuizioni sulla connessione cervello-corpo e faremmo luce su ciò che accade quando queste connessioni non funzionano, come nel caso di malattie cerebrali come l'Alzheimer e il Parkinson.

A tal fine, i neuroscienziati del Cedars-Sinai di Los Angeles hanno costruito modelli computerizzati di singole cellule cerebrali, i più complessi finora realizzati. Utilizzando il calcolo ad alte prestazioni e l'intelligenza artificiale, i modelli, descritti nella rivista Cell Reports, catturano la forma, i tempi e la velocità dei segnali elettrici che le cellule cerebrali, chiamate neuroni, emettono.

La nuova ricerca fa parte di una ricerca decennale degli scienziati per comprendere il funzionamento interno del cervello, non solo dal punto di vista cognitivo ma anche biologico, genetico ed elettrico.

I primi ricercatori più famosi sono stati Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley e John Carew Eccles, che hanno vinto il Premio Nobel per la Medicina nel 1963 per le loro scoperte sulle membrane delle cellule nervose.

"Oggi è un momento unico in cui sono disponibili serie di dati dettagliati su singoli neuroni in grandi quantità e per molte cellule", afferma l'autore dello studio, Costas Anastassiou, PhD, ricercatore presso il Dipartimento di Neurochirurgia del Cedars-Sinai. "Le dimensioni e la velocità dei computer di oggi ci permettono di esplorare i meccanismi [dettagliati] a livello di singola cellula, per ogni cellula".

Come si modella l'attività delle cellule cerebrali con il computer?

Si è scoperto che gli impulsi elettrici che i neuroni usano per comunicare possono essere replicati usando il codice del computer.

"Abbiamo replicato le forme d'onda di tensione e le traiettorie temporali di questi impulsi utilizzando equazioni matematiche", spiega Anastassiou. Poi hanno costruito modelli al computer utilizzando serie di dati provenienti da esperimenti sui topi.

Questi esperimenti misurano alcuni elementi delle cellule, come le dimensioni, la forma e la struttura, o il modo in cui rispondono ai cambiamenti. Ogni modello cellulare combina tutti questi elementi e può aiutare a rivelare il loro collegamento.

I modelli computerizzati possono conciliare due informazioni fondamentali: la composizione cellulare (gli elementi costitutivi delle cellule cerebrali) e i modelli osservati durante l'attività cerebrale. Con l'aiuto del computer, i collegamenti tra le serie di dati diventano chiari. I ricercatori affermano che questo potrebbe aiutare a scoprire cosa effettivamente provoca il cambiamento del cervello, un passo fondamentale quando si esaminano i disturbi.

Cosa possono dirci i computer sul cervello umano?

Uno dei potenziali usi dei modelli di cellule cerebrali sarebbe quello di testare tutti i tipi di teorie sui disturbi cerebrali che sarebbero difficili o impossibili da creare attraverso esperimenti in laboratorio. Inoltre, il lavoro può portare a nuove conoscenze sul cervello: quanto sono simili o diverse le cellule cerebrali, cosa le collega o le rende diverse e cosa significa in uno spettro di proprietà.

I computer e la matematica stanno raccontando storie sul cervello e Anastassiou dice che per lui il fascino deriva dalla semplicità dei risultati e dalla ricchezza dei loro impatti.

"Sono sempre stato affascinato dalla questione di come le equazioni matematiche rappresentino le cellule biologiche viventi e computazionali, in particolare per quanto riguarda il cervello, l'epicentro di ciò che ci rende umani", afferma.