Ricerche

Il neuroscienziato Ueli Rutishauser PhD pensava di aver scoperto un fenomeno nuovo e strano nel cervello umano. Stava cercando di studiare come il cervello ascolta il cuore: non nel senso figurato di seguire il cuore, ma per individuare i neuroni misteriosi nel cervello che letteralmente monitorano e regolano il battito cardiaco.

Rutishauser e i suoi colleghi del Cedars-Sinai Medical Center di Los Angeles avevano dati preziosi per cercare di risolvere il mistero: le registrazioni elettriche, prese all'interno del cervello umano vivente, in particolare dall'ippocampo, una struttura profonda all'interno del cervello che è importante per la memoria.

Questi dati sono rari, registrati da persone che erano sottoposte a certi tipi di intervento chirurgico al cervello, o che avevano ricevuto impianti cerebrali a breve termine in vista di un intervento chirurgico per l'epilessia e che avevano accettato di partecipare a studi di ricerca.

Quando gli scienziati hanno inizialmente dato un'occhiata alle registrazioni e le hanno allineate con i battiti cardiaci dei pazienti, i dati sono balzati fuori dalla pagina. Quasi tutta l'attività elettrica di ogni singolo neurone sembrava contrarsi in sincronia con il battito cardiaco.

“C'è stata questa prima fase di grande entusiasmo”, ha detto Rutishauser. “Eravamo meravigliati da quell'effetto così forte. I risultati sembravano troppo belli per essere veri“. E invece si è scoperto che lo erano.

Gli scienziati si sono ben presto resi conto che i neuroni non erano influenzati dal cuore; lo erano i minuscoli fili che avevano messo nel cervello dei pazienti. Il cervello delle persone pulsa leggermente quando il cuore batte, causando in questi esperimenti piccoli scatti nell'elettrodo, che faceva sembrare dei cambi di ritmo i picchi elettrici dei neuroni.

La storia avrebbe potuto fermasi lì, se non fosse per una conversazione a cena di Rutishauser con Costas Anastassiou PhD, neuroscienziato dell'Allen Institute, che lo ha portato a realizzare che avrebbero potuto usare questo fenomeno sperimentale per cogliere un tipo diverso di comprensione del cervello umano.

In definitiva, gli scatti del battito cardiaco hanno permesso ai due gruppi di scienziati di classificare in tre tipi diversi i neuroni del cervello dei pazienti, in base alle loro firme elettriche. I gruppi di ricerca del Cedars-Sinai e dell'Allen Institute hanno pubblicato uno studio che descrive le loro conclusioni sulla rivista Cell Reports.

Collegare due tipi di dati sul cervello

Rutishauser faceva parte del Next Generation Leaders Council dell'Allen Institute for Brain Science, una divisione dell'Istituto Allen. Questo programma porta all'Istituto Allen ricercatori a inizio carriera nelle neuroscienze per uno scambio bidirezionale di consulenza e competenze. Nel corso di una cena a seguito di una riunione del Consiglio a Seattle, tre anni fa, ha descritto l'effetto del battito cardiaco ad Anastassiou, che guida un team di neuroscienziati che crea e analizza modelli computazionali di neuroni umani, ed i due ricercatori hanno istituito una collaborazione per approfondire i dati.

Il lavoro di calcolo di Anastassiou fa parte di un programma più ampio all'Allen Institute, dove i ricercatori ricavano dati dettagliati sulla “lista delle parti” del cervello dal tessuto post mortem o da pezzi di cervello vivente donati da pazienti sottoposti a chirurgia per i tumori cerebrali o epilessia. Usano informazioni come i geni che i neuroni attivano, la loro attività elettrica unica e le loro forme 3D, per inserire queste cellule in diverse categorie o tipi di cellule.

C'è molto da imparare sui mattoni di costruzione del nostro cervello osservando campioni di tessuto in laboratorio, ma c'è un divario tra quel lavoro e la comprensione di come i diversi tipi di neuroni producono pensieri e sentimenti in noi, ha detto Anastassiou, che ha guidato lo studio apparso su Cell Reports insieme a Rutishauser.

“Cosa significano tutti questi tipi di cellule diverse? Come stanno tutte insieme? Per capirlo, dobbiamo andare al di là di questi pezzi e cellule. Dobbiamo andare al cervello intero", ha detto Anastassiou.

Quando Rutishauser ha descritto ciò che avevano visto con il battito del cuore, Anastassiou ha capito che questa potrebbe essere l'occasione per colmare questi due mondi: un gruppo aveva dettagliato i dati relativi a tipi di cellule cerebrali umane, ma non aveva alcuna informazione su ciò che questi tipi fanno in una persona; l'altro gruppo aveva le registrazioni dal cervello umano vivente, ma nessun modo di sapere che tipi di neuroni stava ascoltando.

I ricercatori hanno creato una collaborazione e ben presto si sono resi conto che c'erano sottili differenze nel modo in cui le firme elettriche di neuroni diversi cambiavano quando l'elettrodo vibrava con il battito cardiaco. Anastassiou e i suoi colleghi hanno costruito una serie di simulazioni computazionali di neuroni umani sulla base dei dati dei tipi di cellule umane dell'Allen Institute e hanno stimolato quei neuroni virtuali a 'sparare' picchi elettrici. Hanno usato l'apprendimento automatico per accoppiare quei segnali virtuali con la cosa reale, ottenendo tre tipi diversi di cellule in base alle loro registrazioni elettriche.

Collegare scoperte sul cervello ai tipi di cellule

I ricercatori hanno già ottenuto alcuni spunti su come lavorano queste classi di neuroni nel cervello intatto: uno di questi tre tipi si sincronizza con le onde theta del cervello dei pazienti, una onda cerebrale lenta associata con l'apprendimento e la plasticità del cervello sveglio.

“Non è qualcosa che si potrebbe necessariamente vedere in una fetta di cervello in laboratorio”, ha detto Clayton Mosher PhD, postdottorato del Cedars-Sinai, primo coautore dello studio insieme a Yina Wei PhD, neuroscienziata dell'Allen Institute.

I gruppi di ricerca stanno lavorando per definire altri tipi di neuroni umani usando questo metodo, e hanno anche in programma di studiare come i diversi tipi di neuroni si attivano o si disattivano mentre i pazienti nei loro studi eseguono determinate attività, come guardare foto dei familiari o richiamare un ricordo.

Gli scienziati hanno scoperto neuroni coinvolti in tali attività (es.: un neurone specifico che spara in risposta a immagini di Jennifer Aniston) ma non sanno che tipo di cellula è. E una volta che riusciranno a collegare tipi specifici di cellule a ricordi, reazioni o emozioni, ciò aprirà le porte a potenziali terapie per malattie e disturbi, secondo Rutishauser.

Non vogliono solo capire il tipo di cellula che consente di riconoscere il viso di tua nonna, vogliono anche capire che cosa va storto a livello cellulare nelle persone con demenza o altri disturbi della memoria, che non riescono più a riconoscere i loro cari e, alla fine, come correggere quel difetto.