Blue Brain Project: ecco come nasce un cervello

Una delle più grandi sfide nel campo delle neuroscienze è quella di mappare le connessioni sinaptiche tra i neuroni in modo da comprendere il funzionamento del flusso di informazioni nel cervello. In un articolo pubblicato il 18 settembre su PNAS, il team del Blue Brain Project del Politecnico di Losanna (EPFL) ha dimostrato per la prima volta che la distribuzione delle sinapsi o connessioni neuronali nella corteccia dei mammiferi può, in larga misura, essere previsto attraverso una simulazione computazionale. “Si tratta di un importante passo avanti, perché altrimenti ci sarebbero voluti decenni, se non secoli, per determinare l’esatta posizione di ogni sinapsi nel cervello; mentre ora è molto più facile creare modelli accurati”, dice Henry Markram, neuroscienziato e autore dello studio.

Il Blue Brain Project nasce nel 2005 all’interno dell’École Polytechnique Fédérale di Losanna in Svizzera con l’obiettivo di simulare un cervello per arrivare a studiarne la struttura. Attraverso il supercomputer Blue Gene e il software Neuron, il progetto intende costituire una piattaforma per esperimenti neuroscientifici “in silico” (cioè simulati al computer) che dia luogo a una configurazione realistica delle funzioni biologiche dei neuroni.

Sulla base di dati senza precedenti sulle proprietà geometriche ed elettriche dei neuroni – raccolti in quasi 20 anni di scrupolosa sperimentazione su sezioni di tessuto cerebrale vivente – e utilizzando ricostruzioni 3D su 298 cellule corticali di diverso tipo, i ricercatori hanno costruito un modello strutturale di un microcircuito corticale in cui le cellule sono state collocate in modo indipendente e casuale.

Dal confronto tra osservazioni su tessuti cerebrali animali e modelli virtuali, il team del Blue Brain Project ha scoperto che la loro rappresentazione in silico era molto vicino a quello della vita reale, con una corrispondenza variabile tra il 75 e il 95 per cento. Secondo Markram, i neuroni crescerebbero indipendentemente l’uno dall’altro e formerebbero sinapsi nelle posizioni in cui casualmente si urtano fra loro, seguendo cioè un ordine del tutto casuale, ma determinato fin dalla nascita.
“Abbiamo simulato il “Connectome” del cervello (cioè la mappa completa delle connessioni neurali cerebrali) riproducendo in 3D varie combinazioni casuali di 10 mila neuroni e poi le abbiamo confrontate con i risultati ottenuti sui tessuti di laboratorio e abbiamo scoperto che il nostro modello strutturale riusciva a prevedere la distribuzione delle connessioni con sufficiente precisione”, ha detto il primo autore, Sean Hill.

La scoperta ha anche spiegato la natura associativa del cervello umano, e perché è così resistente ai danni. La mappa tridimensionale ha permesso di osservare che per quanto la posizione o il numero delle cellule neuronali vengano modificati, il tipo di distribuzione delle connessioni resta immutato. In altre parole, la ricerca suggerisce che tra le posizioni delle sinapsi in tutti i cervelli della stessa specie vi siano più somiglianze che differenze e che una determinata configurazione resista anche a seguito di variazioni di densità, posizione e orientamento, e dunque che sia molto resistente alle lesioni. Inoltre, “la forma dei neuroni non è identica per tutti, proprio perché è la diversità nella morfologia dei neuroni a rendere i circuiti cerebrali di una particolare specie simili tra loro e molto robusti”, afferma Hill.

Fonte: Sean L. Hilla, Yun Wang, Imad Riachia, Felix Schürmanna e Henry Markrama, “Statistical connectivity provides a sufficient foundation for specific functional connectivity in neocortical neural microcircuits”. Pnas, 18 settembre 2012.