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Personalized whole brain simulations: linking connectomics and dynamics in the human brain

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Le simulazioni ci aiutano a comprendere come funziona il cervello

Impiegando dati di imaging, i ricercatori sono in grado di creare complesse simulazioni del nostro cervello che potrebbero portare a trattamenti personalizzati per curare svariati disturbi e malattie neurodegenerative.

Ricerca di base

Il cervello umano è notevolmente complesso. Sebbene in esso siano presenti 86 miliardi di neuroni collegati tra loro mediante 150 000 miliardi di connessioni, per funzionare questo organo richiede una quantità di energia molto limitata, comparabile a quella necessaria per alimentare una normale lampadina a LED. Ma non lasciamoci ingannare dall’efficienza energetica. «Il cervello contiene così tante informazioni che persino con la potenza di tutti i centri di elaborazione dati disponibili al mondo sarebbe impossibile simulare quello di una sola persona a livello molecolare», afferma Petra Ritter, direttrice della Brain Simulation Section presso l’organizzazione Charité – Universitätsmedizin Berlin. «Anche se fosse possibile realizzare una simulazione di tal genere, essa consumerebbe una quantità enorme di energia.» Con il sostegno del progetto BrainModes, Ritter e la Brain Simulation Section si sono prefissi di sviluppare un modo più efficiente di simulare il cervello. «La simulazione cerebrale ci aiuta a comprendere le modalità di funzionamento del cervello ed elaborare terapie personalizzate per il trattamento delle malattie connesse a questo organo», aggiunge Ritter.

Il cervello virtuale

Il concetto di BrainModes utilizza dati di imaging ricavati a livello individuale, il tipo di informazioni raccolte mediante risonanza magnetica per immagini (RMI), tomografia a emissione di positroni (PET), encefalogrammi (EEG) e magnetoencefalografia (MEG) per creare copie digitali del cervello di una persona. «Questi modelli cerebrali computazionali personalizzati, che chiameremo cervelli virtuali, consentono agli utenti di dedurre meccanismi multiscala della funzione cerebrale», spiega Ritter. Per esempio, nel corso del progetto i ricercatori hanno dimostrato il modo in cui è possibile dedurre i meccanismi neurali multiscala mediante la modellizzazione della rete cerebrale. Il progetto ha inoltre ampliato la piattaforma virtuale The Virtual Brain, ovvero il cervello virtuale, che permette ai ricercatori attivi in ambito sanitario di creare facilmente simulazioni cerebrali allo scopo di integrare la capacità di simulare il cervello con diversi gradi di dettaglio. Questo strumento multiscala di co-simulazione è ora disponibile tramite l’infrastruttura di EBRAINS. Dato che questi strumenti di simulazione si avvalgono di dati riferiti a pazienti ed esistono sul cloud, i ricercatori hanno dovuto assicurarsi che fossero conformi al regolamento generale sulla protezione dei dati (GDPR). «Grazie all’impiego di crittografia end-to-end, controllo degli accessi e sandbox garantiamo non solo la conformità al GDPR, ma anche una totale sicurezza e protezione di tutti i dati caricati», osserva Ritter. Basandosi sulla componente di protezione dei dati concepita da BrainModes, Ritter sta attualmente conducendo il progetto VirtualBrainCloud, finanziato dall’UE, il cui obiettivo è quello di creare una infrastruttura di ricerca su cloud sicura per simulazioni complesse che utilizzano dati sanitari.

Il Santo Graal delle neuroscienze

Il progetto BrainModes, che ha ricevuto finanziamenti dal Consiglio europeo della ricerca, ha dedotto con successo e per la prima volta principi complessi della funzione cerebrale, ricorrendo a simulazioni multiscala personalizzate del cervello. «La simulazione del cervello umano rappresenta il Santo Graal delle neuroscienze in quanto offre uno strumento pionieristico per comprenderne le modalità di funzionamento, nonché per affrontare disturbi quali l’ictus e l’epilessia o altre malattie degenerative come i morbi di Alzheimer e di Parkinson», dichiara Ritter. Tutti gli strumenti e il software sviluppati durante il progetto sono ora a disposizione di altri ricercatori. «L’eredità del progetto è costituita dal lavoro effettuato dalla comunità di ricerca mediante l’utilizzo degli strumenti di simulazione da noi costruiti e convalidati», conclude Ritter. «Ci auguriamo che presto questi stessi strumenti siano impiegati nella pratica clinica, dove eserciteranno un impatto positivo sulla salute e il benessere dei pazienti.»

Parole chiave

BrainModes, neuroscienze, simulazioni, dati di imaging, simulazioni cerebrali, malattie connesse al cervello, funzione cerebrale, GDPR, ictus, epilessia, Alzheimer, Parkinson

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