Informazioni meccanicistiche sulla cognizione dei mammiferi
La regione più grande e complessa del cervello dei mammiferi, la corteccia cerebrale si piega in una grande superficie di materia grigia che comprende corpi cellulari neuronali organizzati in una complessa rete di circuiti. L’organizzazione anatomica delle zone corticali corrisponde alle sue funzioni sensoriali, motorie o associative. La comunicazione con altre strutture del cervello come il talamo e i gangli basali assicura la ricezione e la trasmissione di informazioni. I neuroni corticali non funzionano da soli, ma come parte di diversi gruppi interconnessi, l’attività dei quali è solo in parte controllata da stimoli sensoriali. Per capire la struttura della loro attività è necessario registrare simultaneamente molti neuroni. La natura precisa delle interconnessioni neuronali però all’interno della corteccia cerebrale rimane poco chiara. Attualmente una serie di progressi tecnologici sono impiegati per studiare la computazione corticale, tra cui l’elettrofisiologia, l’uso di più elettrodi per registrare gruppi di neuroni, e l’optogenetica. Quest’ultimo metodo usa la luce per controllare l’attività neuronale in un contesto sperimentale nel quale i neuroni sono geneticamente modificati per esprimere canali ionici sensibili alla luce. Gli strumenti optogenetici esistenti però non hanno specificità di strato e di tipo di cellula, mentre le tecniche di registrazione dell’elettrofisiologia non raggiungono ancora i risultati necessari per caratterizzare adeguatamente il microcircuito corticale. Strumenti avanzati aiutano a capire la funzione cerebrale Il progetto NeuroSeeker, finanziato dall’UE, è stato creato per offrire un’immagine più funzionale dei circuiti cerebrali. I ricercatori hanno studiato la struttura e la funzione della corteccia cerebrale per capire meglio le zone corticali e le leggi basilari delle interazioni multi-scala tra di esse. Il consorzio voleva descrivere l’interazione dei micro-circuiti corticali con lo stato globale del cervello associando dati di registrazione e immagini su larga scala dello stato del cervello ottenute con l’elettrocorticografia e l’elettroencefalografia (EEG). A questo fine, i ricercatori hanno sviluppato sonde a ultra densità a base di silicio con un numero senza precedenti di circa 1 400 canali di registrazione per la registrazione elettrofisiologica. Sono state generate altre sonde a base di polimeri per stereo EEG simili a quelle usate in clinica per diagnosticare l’epilessia. Le sonde NeuroSeeker sono state usate come dispositivi avanzati di registrazione con un numero di elettrodi dieci volte più alto rispetto allo stato dell’arte. Questi dispositivi sono stati usati in primati non umani per dimostrare durate di registrazione simili a quelle necessarie per applicazioni umane. Inoltre sono stati generati dispositivi ottici comprendenti LED (light-emitting diode) integrati a pellicola sottile e chip LED convenzionali. Questi dispositivi hanno prodotto stimoli ottici controllati nei tessuti corticali in esperimenti su roditori. “Per ottenere una comprensione meccanicistica dei calcoli fondamentali alla base del processo cognitivo, ci siamo concentrati su meccanismi candidati che mappano i normali processi cognitivi,” spiega il dott. Ruther. In breve i ricercatori hanno studiato la combinazione di input feedforward e feedback che si integrano attraverso gli strati corticali o che arrivano nello stesso strato da diverse aree corticali. Questo ha permesso loro di formulare una teoria dinamica di micro-circuiti e delle loro interazioni con il resto del cervello. Descrizione della corteccia cerebrale Per mezzo di specifici algoritmi e software, i dispositivi di NeuroSeeker hanno permesso la rilevazione e la caratterizzazione di forme d’onda verso un’efficiente analisi di circuito. Contrariamente ai sistemi esistenti, il consorzio è riuscito a registrare la funzione neuronale, fornendo una visione più dettagliata della funzionalità del cervello e facendo avanzare la diagnostica dell’epilessia. Lo studio dell’impronta spazio-temporale di ogni segnale neuronale ha permesso la classificazione del segnale e la caratterizzazione e la localizzazione di cellule negli strati corticali. Questo ha fornito informazioni fondamentali sulla funzione corticale in vari contesti, dalla formazione della memoria, all’elaborazione in corso durante il processo decisionale. Si sta lavorando attualmente per garantire la commercializzazione delle sonde NeuroSeeker per mezzo di una PMI associata al progetto. I ricercatori sperano che “gli strumenti ottici di NeuroSeeker possano essere usati non solo nella ricerca animale ma in definitiva essere applicati clinicamente sul muscolo cardiaco oltre che nella coclea.”
Parole chiave
NeuroSeeker, cervello, corteccia cerebrale, neurone, sonda, optogenetica, epilessia, elettroencefalografia, elettrocorticografia, LED
