Tipi di cellule nella corteccia cerebrale (Fonte: Allen Institute)
L'iniziativa BRAIN, una sfida scientifica e ingegneristica decennale annunciata dal presidente Obama sei anni fa, ha una missione visionaria: finanziare l'invenzione di nuove tecniche per comprendere il cervello.
Questa missione riflette la consapevolezza che le neuroscienze non possono evitare di dipendere profondamente dagli strumenti. Non avremmo idea dei neuroni e delle loro funzioni di ingressi-uscite di base senza gli ingegneri che hanno attinto dalla fisica e dalla chimica di fondo e creato gli strumenti.
Circa seicento condizioni affliggono il cervello umano. La maggior parte sono devastanti e nessuna è ben compresa. Il costo umano della sofferenza è sbalorditivo, come pure quello in dollari. Considerando solo l'Alzheimer, il costo annuale per paziente è di circa $ 300.000. Il costo totale annuo è di circa $ 280 miliardi solo negli Stati Uniti. Quella somma permetterebbe di costruire molte scuole e parchi. Di conseguenza, prevenire e trattare i disturbi cerebrali sono due priorità assolute.
Lo sviluppo di strumenti e tecniche è stato enfatizzato nei documenti fondatori di BRAIN perché le reti cerebrali - i livelli organizzativi tra singoli neuroni e sistemi su larga scala - erano in gran parte inaccessibili alla ricerca. Gli elettrodi possono accedere ai neuroni e i dispositivi di scansione, come la risonanza magnetica, possono accedere a sistemi di grandi dimensioni. Interposte, le reti micro, meso e macro fanno il loro mestiere. Sono necessari nuovi strumenti per forzare i loro segreti.
Inoltre, le cellule che compongono queste proprietà di rete non sono tutte uguali. Orde di tipi di cellule diverse popolano il cervello, e ogni tipo sembra avere la propria posizione e il proprio modello di connettività, nonché il proprio portafoglio di risposta.
Quanti tipi ci sono? Quali sono i loro profili distinti di connettività? In che modo le differenze nelle proprietà fanno la differenza su come funziona l'intera rete? Per lo più, le risposte non sono note. Ma importa? Beh, non saperlo è come cercare di capire l'aria o l'acqua senza conoscere la tavola periodica.
Più direttamente, ecco un esempio del potenziale: i dati preliminari indicano che alla base di disturbi dello sviluppo come la schizofrenia e l'autismo ci sono tipi di neuroni localizzati in modo errato, con conseguente circuiti organizzati atipicamente. Sapere cosa fa ogni tipo di cellula in circostanze normali ci aiuta a capire cosa non va nelle condizioni atipiche.
Per stimolare l'innovazione, il comitato direttivo di BRAIN ha proposto di promuovere collaborazioni serie che abbracciano neuroscienze, ingegneria, fisica, genetica, matematica, medicina e chimica. Il termine 'serio' significa che sarebbero disponibili finanziamenti reali, non solo miseri e simbolici, per collaborazioni che mirano a realizzare idee specifiche, ispirate e talvolta audaci.
Una strategia forte, forse, ma ragionevole. La storia delle neuro-invenzioni che aprono le porte, tra cui l'fMRI, la microscopia a 2 fotoni e l'optogenetica, ha dato un vero peso alla proposta. Ognuno di questi sviluppi è emerso quando "se solo potessimo misurare ..." è stato seguito da "costruiamo un dispositivo in grado di farlo".
Quindi, come appare questo investimento alquanto rischioso, dopo cinque anni? Con cautela, direi, spettacolare. L'11 e 12 aprile ho partecipato all'incontro annuale dell'iniziativa BRAIN a Washington che ha riunito le persone dei laboratori finanziati, così come gli amministratori scientifici del NIH e chiunque altro fosse interessato. La spinta, la dedizione e l'eccitazione erano chiaramente evidenti. Una specie di spirito da 'sbarco sulla luna' pervadeva la riunione in generale.
Due tecnologie finanziate - organoidi cerebrali e macchine portatili di RM - hanno catturato la mia immaginazione. Entrambi implicano una tecnologia innovativa e una ricerca di base con importanti implicazioni sulla salute.
Organoidi [ref.1]
Neuro-desiderio: vedere in tempo reale come si sviluppano le strutture neurali nel cervello umano. Ciò potrebbe dare un'idea dei disordini dello sviluppo come l'autismo, la schizofrenia e gli effetti del virus Zika. Potrebbe dirci qualcosa sui tipi di neuroni e su come si formano i circuiti diversi.
Idea nanotecnologica: coltiviamo una piccola sfera di tessuto cerebrale umano e osserviamo il processo di sviluppo in miniatura. Le intuizioni dalle sfere mini-cervello possono essere trasferibili al vero sviluppo neurologico in vivo. Inizia con le cellule staminali pluripotenti indotte, le guarda mentre si differenziano in neuroni specializzati in un ambiente favorevole (un bioreattore rotante). Usa le cellule della pelle degli schizofrenici per creare cellule pluripotenti che trasportano qualsiasi gene implicato nella condizione. Guarda come le varianti genetiche fanno la differenza per il destino neuronale. Poiché lo studio degli sviluppi del cervello umano è necessariamente molto limitato, la promessa degli organoidi del cervello umano è particolarmente significativa.
Prodotto nanotecnologico: i neuroni negli organoidi cerebrali si auto-organizzano in strati e connessioni che sono notevolmente simili a ciò che si vede in vivo nella corteccia. Una volta che si sono raggiunte le condizioni adeguate del bioreattore, si è scoperto che le cellule progenitrici iniziano a differenziarsi in tipi specifici di neuroni, migrando in modo coerente verso un vicinato specifico, e facendo spuntare strutture che creano connessioni che ricordano il modello osservato nel cervello fetale. (La coltura tissutale 2-D, le cellule in crescita su una piastra di Petri, è stata a lungo utilizzata con buoni risultati, ma il punto debole è che la crescita e la connettività cellulare sono casuali).
La tecnologia degli organoidi è nelle fasi iniziali e molto rimane irrisolto per approssimare di più lo sviluppo neuronale strettamente in vivo. Tuttavia, le scoperte stanno già arrivando. Ad esempio, usando questa tecnologia, si è scoperto che il virus Zika infetta cellule pre-neuronali molto giovani, così giovani da non ricevere ancora i segnali che le trasformano in neuroni. La distruzione altera le successive divisioni cellulari che producono i neuroni e la loro differenziazione in tipi specifici di neuroni [ref. 2].
Gli organoidi cerebrali non sono cervelli. Per prima cosa, non hanno né entrate sensoriali né uscita motoria, anche se sono in atto idee per raggiungere queste interazioni. Sebbene si sia suggerito che un intero cervello umano può essere facilmente creato in un bioreattore, in questa fase la fantasia è irrealizzabile.
Tuttavia, sorgono domande etiche. Ad esempio, la ricerca sul sistema del dolore, sebbene urgentemente necessaria, è impegnativa perché infliggere dolore per capire il sistema disturba la coscienza. Gli organoidi possono essere la piattaforma da lungo tempo ricercata per studiare il dolore, o persino gli organoidi possono provare dolore? Come testarlo?
Risonanza magnetica portatile
Neuro-desiderio: avere uno scanner cerebrale più piccolo e più economico che sia più amichevole con il paziente.
Sviluppo nanotecnologie: uno scanner MRI portatile, del peso di circa 450 kg, che può essere caricato sul retro di un pick-up. La nuova configurazione consente al soggetto di sedere in posizione verticale e l'apparecchio pende giù sopra la testa sulle spalle. Quindi non confina tutto il corpo in una posizione prona. Una piccola finestra è stata inserita a livello degli occhi per ridurre qualsiasi reazione claustrofobica e consentire stimoli visivi. Il prototipo è attivo e funzionante, e i perfezionamenti sono in corso [ref. 3].
Il valore: lo scanner portatile rende molto più economica la scansione cerebrale con la risonanza magnetica, e significa che lo scanner può essere conveniente negli ospedali più piccoli nelle zone rurali, o può essere trasportato su camion tra piccoli ospedali di un gruppo. La scansione potrebbe quindi essere disponibile per le comunità che fino a quel momento non erano in grado di permettersi il costo di una scansione o il costo del viaggio. Clinicamente, la risonanza magnetica può rilevare l'infiammazione che può essere causata da meningite, una malattia potenzialmente fatale o può rilevare cisti e tumori che possono essere la causa del mal di testa. Per la neuroscienza di ricerca, il risultato sarà una gamma più ampia di individui che possono essere scansionati, espandendo e migliorando così la base di dati.
Gli organoidi del cervello e la risonanza magnetica portatile sono progetti pionieristici e, per quanto possiamo dire ora, ulteriori ritocchi potrebbero produrre strumenti che sembrano molto diversi dai primi prototipi. Tuttavia, per entrambi i progetti, il potenziale è davvero alto. Sono in sviluppo anche molte altre tecnologie supportate da BRAIN, tutte mirate a trovare nuovi e migliori modi per misurare cosa fanno le reti di neuroni, sia nei cervelli sani che in quelli malati.
Fonte: Patricia Smith Churchland BPhil, professoressa emerita di filosofia della University of California San Diego.
Pubblicato su Psychology Today (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Referenze:
- Paola Arlotta, Nature Methods 15, 270-29 (2018); Neil Amin & Sergiu Pasca, Neuron 100, 389-405 (2018). See also Allyson Muotri Lab
- G.L. Ming, H. Tang & H. Song, Cell Stem Cell 19, 690-702 (2016)
- See Michael Garwood
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