Svelare i misteri del cervello con la luce e l'IA
Decifrare in che modo i singoli neuroni collaborino per generare pensieri, emozioni e azioni continua a lasciare perplessi i ricercatori. Per studiare l'attività cerebrale, le neuroscienze studiano le cellule neuronali, sia individualmente che collettivamente, attraverso una serie di metodologie diverse, tra cui la misurazione dell'attività elettrica, lo studio delle reazioni chimiche e il controllo delle cellule con la luce.
Una piattaforma sperimentale innovativa per lo studio del comportamento neuronale
Il progetto ISLAND, intrapreso con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA), mirava a creare una configurazione sperimentale che sfruttasse il potere del controllo della luce insieme alla manipolazione genetica, o optogenetica, per studiare le cellule cerebrali in un ambiente di laboratorio. «Speravamo di comprendere le reti neuronali in 2D e 3D, così da ottenere nuove intuizioni sul funzionamento del cervello», afferma il ricercatore principale Lorenzo Pavesi. Insieme al ricercatore MSCA Ilya Auslender, gli scienziati hanno sviluppato un sistema sperimentale composto da tre unità distinte. L'unità di «scrittura» consisteva in un sistema ottico che emetteva precisi schemi di luce che servivano a stimolare i neuroni geneticamente modificati. L'unità di «lettura» attraverso un array di microelettrodi (MEA, microelectrode array) è stata in grado di catturare i segnali elettrici emanati dai neuroni coltivati e di tradurli in dati. Infine, le registrazioni dell'array di microelettrodi sono state interpretate dall'unità di «elaborazione e controllo».
Mappatura delle reti neuronali
Gli scienziati sono riusciti a coltivare cellule corticali cerebrali su chip MEA di vetro e le hanno ingegnerizzate per esprimere una proteina sensibile alla luce. Ciò ha posto le basi per esperimenti di optogenetica controllata. La stimolazione basata sulla luce è stata ottenuta mediante un processore di luce digitale che illuminava modelli di luce personalizzati sui neuroni geneticamente modificati. Per comprendere queste risposte è stato fondamentale lo sviluppo di strumenti analitici avanzati. Utilizzando l'intelligenza artificiale, i ricercatori hanno costruito un sistema in grado di leggere i segnali elettrici delle cellule neuronali e di generare una mappa macroscopica di come queste cellule comunicano e si collegano in una rete. Il modello risultante ha offerto un grafico macroscopico che rappresenta la struttura della cultura studiata. Ogni nodo di questo grafico simboleggiava un circuito neurale o una popolazione di neuroni e le connessioni tra i nodi rappresentavano le interazioni ponderate tra queste popolazioni. Nel complesso, il modello di IA ha dimostrato una notevole accuratezza nello scoprire la connettività funzionale della rete neuronale.
Possibilità e applicazioni future
Il progetto ISLAND ha aperto numerose opportunità per estendere le applicazioni in vitro e le iniziative di ricerca. La configurazione optogenetica accuratamente progettata, che combina senza soluzione di continuità metodi ottici e genetici, è già stata impiegata per far progredire gli studi in corso incentrati sull'uso di interventi innovativi basati sulla luce per sopprimere le crisi epilettiche. Il modello di IA può essere applicato a un'ampia gamma di studi che prevedono l'analisi dettagliata di segnali elettrofisiologici multisito. Ad esempio, potrebbe migliorare la ricerca farmacologica offrendo approfondimenti su come il sistema nervoso risponde a diverse sostanze. Inoltre, può essere impiegato nella mappatura del cervello, dove la sua analisi dettagliata può aiutare a scoprire le intricate dinamiche delle reti neurali, rivelando maggiori informazioni sul funzionamento del cervello e sulla connessione dei suoi componenti. «I risultati ottenuti non solo supportano la ricerca creativa all'interno di ambienti di laboratorio controllati ma hanno il potenziale per guidare il progresso in vari campi complessi in cui una profonda comprensione delle dinamiche e delle connessioni neurali è fondamentale», sottolinea Auslender.
Parole chiave
ISOLA, cervello, neuroni, optogenetica, IA, array di microelettrodi, modello, crisi epilettiche
