I ricercatori «osservano» in che modo il cervello legge i segnali elettrici Una nuova tecnologia rivoluzionaria è in grado di «osservare» in che modo specifici modelli di attività elettrica nel cervello orientano il nostro comportamento. Ciò potrebbe portare a progressi nel trattamento delle malattie del cervello e aprire nuove opportunità nella microscopia. Ricerca di base © Andrii Vodolazhskyi, Shutterstock ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2894952/ (Le reti neuronali), ossia gruppi di neuroni collegati funzionalmente tra loro attraverso strutture specializzate chiamate sinapsi, svolgono un ruolo fondamentale nella percezione sensoriale. «La percezione sensoriale coinvolge almeno due processi», spiega il coordinatore del progetto NEURO-PATTERNS Tommaso Fellin, ricercatore senior presso l’Istituto italiano di tecnologia (IIT). Questo progetto ha ricevuto il supporto del Consiglio europeo della ricerca. «In una prima fase, il cervello ha bisogno di “scrivere” le informazioni relative agli stimoli fisici del mondo esterno, quali l’immagine di una macchina che si avvicina. Tali informazioni sono scritte sotto forma di attività elettrica in specifiche reti neuronali nel cervello.» In secondo luogo, questi segnali elettrici devono essere letti per orientare un comportamento appropriato come quello del rallentamento. «Sappiamo molto poco in merito al secondo processo», osserva Fellin. «Il modo in cui l’attività elettrica scritta nei circuiti neuronali venga letta per determinare le nostre azioni in risposta a stimoli esterni non è del tutto compreso. In altre parole, non conosciamo il codice che il cervello utilizza per interpretare i segnali elettrici scritti nelle reti neuronali.» Decifrare il codice Il progetto NEURO-PATTERNS, finanziato dall’UE, si proponeva di decifrare questo codice attraverso lo sviluppo di una nuova tecnologia. Per la prima volta, ciò consentirebbe ai ricercatori di verificare l’importanza di modelli specifici di attività elettrica all’interno delle reti neuronali in relazione al comportamento. «Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo combinato competenze nel campo dell’ottica, dell’ingegneria, delle neuroscienze cellulari e dei circuiti nonché della matematica», aggiunge Fellin. «Questo ci ha permesso di sviluppare un nuovo approccio ottico che può leggere e scrivere modelli di attività nelle reti neuronali con una risoluzione spaziale e temporale senza precedenti.» Innanzitutto, il team ha sviluppato il software e l’hardware per il nuovo microscopio ottico. Il microscopio è stato successivamente combinato con l’uso di molecole sensibili alla luce che possono segnalare o generare attività elettrica nei neuroni. Infine, l’approccio è stato convalidato su reti neuronali in tessuto cerebrale. I ricercatori hanno scoperto che erano in grado, per la prima volta, di imporre modelli spaziali e temporali di attività elettrica in reti cerebrali intatte e studiare il codice che il cervello utilizza per orientare la percezione sensoriale. Una nuova era nelle neuroscienze Questa scoperta potrebbe portare a tutta una serie di applicazioni pratiche, tra cui il ripristino o la correzione dell’attività elettrica aberrante nelle reti neuronali che può verificarsi in condizioni patologiche del cervello. I risultati potrebbero anche ispirare lo sviluppo di algoritmi di IA e fornire la base teorica per interfacce cervello-macchina più efficienti. I risultati del progetto sono stati pubblicati in vari articoli scientifici e hanno portato a diversi brevetti. «Esiste inoltre un enorme potenziale per il trasferimento di tecnologia tra diversi campi», afferma Fellin. «A tale proposito, un buon esempio è SmartMicroOptics, una società spin-off che abbiamo fondato durante lo sviluppo di NEURO-PATTERNS.» Questa start-up produce una serie unica di elementi ottici ultrasottili che, se applicati a dispositivi elettronici basati su telecamere quali telefoni cellulari e tablet, li trasformano in microscopi portatili ed economici con prestazioni ottiche elevate. «In definitiva, tale tecnologia ha aperto la porta a un nuovo campo nel settore delle neuroscienze sperimentali», afferma Fellin. «Fornendo perturbazioni informate (attraverso la combinazione del nuovo approccio ottico sviluppato nell’ambito di NEURO-PATTERNS e delle molecole sensibili alla luce) alle reti neuronali, siamo ora in grado di discernere il loro ruolo nell’orientare il comportamento.» Le prossime fasi comprendono il miglioramento della scala spaziale, della penetrazione, dell’efficienza e della flessibilità di tali perturbazioni. Dal punto di vista delle neuroscienze, tra gli interrogativi chiave figurano quello di scoprire se il codice viene conservato tra le modalità sensoriali e in che modo questi processi sono alterati negli stati patologici del cervello. Parole chiave NEURO-PATTERNS, cervello, neuronale, sinapsi, sensoriale, neuroni, percezione, neuroscienze
