Come la grande scienza non è riuscita a svelare i misteri del cervello umano

Gli sforzi grandi e costosi per mappare il cervello sono iniziati un decennio fa, ma sono in gran parte falliti. È un buon promemoria di quanto sia complesso questo organo.

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• Emily Mullin pagina di archivio

25 agosto 2021

Andrea Daquino

Nel settembre 2011, un gruppo di neuroscienziati e nanoscienziati si è riunito in una pittoresca tenuta nella campagna inglese per un simposio destinato a riunire i loro due campi.

Durante l'incontro, il neurobiologo della Columbia University Rafael Yuste e il genetista di Harvard George Church hanno avanzato una proposta non così modesta: mappare l'attività dell'intero cervello umano a livello dei singoli neuroni e dettagliare come quelle cellule formano i circuiti. Questa conoscenza potrebbe essere sfruttata per trattare disturbi cerebrali come l'Alzheimer, l'autismo, la schizofrenia, la depressione e le lesioni cerebrali traumatiche. E aiuterebbe a rispondere a una delle grandi domande della scienza: come fa il cervello a produrre la coscienza?

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2021

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Yuste, Church e i loro colleghi hanno redatto una proposta che sarebbe stata in seguito pubblicato sulla rivista Neuron . La loro ambizione era estrema: uno sforzo pubblico internazionale su larga scala, il Brain Activity Map Project, volto a ricostruire la registrazione completa dell'attività neurale attraverso circuiti neurali completi. Come il progetto sul genoma umano un decennio prima, hanno scritto, il progetto sul cervello avrebbe portato a industrie e iniziative commerciali completamente nuove.

Sarebbero necessarie nuove tecnologie per raggiungere questo obiettivo, ed è qui che sono entrati in gioco i nanoscienziati. All'epoca, i ricercatori potevano registrare l'attività di poche centinaia di neuroni contemporaneamente, ma con circa 86 miliardi di neuroni nel cervello umano, era simile a guardare la TV un pixel alla volta, Yuste ha ricordato nel 2017. I ricercatori hanno proposto strumenti per misurare ogni picco di ogni neurone nel tentativo di capire come l'attivazione di questi neuroni producesse pensieri complessi.

L'audace proposta ha incuriosito l'amministrazione Obama e ha gettato le basi per il pluriennale Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative , annunciato nell'aprile 2013. Il presidente Obama lo ha definito il prossimo grande progetto americano.

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Ma non è stata la prima audace avventura cerebrale. Infatti, qualche anno prima, Henry Markram, neuroscienziato presso il Politecnico federale di Losanna in Svizzera, aveva fissato un obiettivo ancora più alto: realizzare una simulazione al computer di un cervello umano vivente. Markram voleva costruire un modello tridimensionale completamente digitale alla risoluzione della singola cella, tracciando tutte le connessioni di tutte quelle celle. Possiamo farlo entro 10 anni, si è vantato durante a Conferenza TED 2009 .

Nel gennaio 2013, pochi mesi prima dell'annuncio del progetto americano, l'UE ha assegnato a Markram 1,3 miliardi di dollari per costruire il suo modello cerebrale. I progetti degli Stati Uniti e dell'UE hanno dato vita a simili sforzi di ricerca su larga scala in paesi tra cui Giappone, Australia, Canada, Cina, Corea del Sud e Israele. Era iniziata una nuova era delle neuroscienze.

Un sogno impossibile?

Un decennio dopo, il progetto statunitense è in fase di conclusione e il progetto dell'UE deve affrontare la scadenza per costruire un cervello digitale. Quindi, come è andata? Abbiamo iniziato a svelare i segreti del cervello umano? O abbiamo speso un decennio e miliardi di dollari per inseguire una visione che rimane sfuggente come sempre?

Fin dall'inizio, entrambi i progetti hanno avuto critiche.

Gli scienziati dell'UE erano preoccupati per i costi del programma Markram e pensavano che avrebbe espulso altre ricerche neuroscientifiche. E anche all'originale incontro del 2011 in cui Yuste e Church hanno presentato la loro ambiziosa visione, molti dei loro colleghi hanno affermato che semplicemente non era possibile mappare le complesse attivazioni di miliardi di neuroni umani. Altri hanno affermato che era fattibile ma costerebbe troppi soldi e genererebbe più dati di quanti ricercatori saprebbero cosa fare.

In un articolo apparso su Scientific American nel 2013, Partha Mitra, neuroscienziato del Cold Spring Harbor Laboratory, messo in guardia contro l'esuberanza irrazionale dietro la Brain Activity Map e si è chiesto se il suo obiettivo generale fosse significativo.

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Anche se fosse possibile registrare tutti i picchi di tutti i neuroni contemporaneamente, ha affermato, un cervello non esiste in isolamento: per collegare correttamente i punti, dovresti registrare simultaneamente gli stimoli esterni a cui il cervello è esposto , così come il comportamento dell'organismo. E ha ragionato sul fatto che dobbiamo capire il cervello a livello macroscopico prima di provare a decodificare cosa significano le scariche dei singoli neuroni.

Altri erano preoccupati per l'impatto della centralizzazione del controllo su questi campi. Cornelia Bargmann, neuroscienziata della Rockefeller University, temeva che avrebbe spiazzato la ricerca guidata da singoli ricercatori. (Bargmann fu presto chiamato a co-guidare il gruppo di lavoro della BRAIN Initiative.)

Non esiste un'unica teoria concordata su come funziona il cervello, e non tutti sul campo concordano sul fatto che costruire un cervello simulato fosse il modo migliore per studiarlo.

Mentre l'iniziativa statunitense ha chiesto il contributo degli scienziati per guidare la sua direzione, il progetto dell'UE è stato decisamente più dall'alto, con Markram al timone. Ma come documenta Noah Hutton nel suo film del 2020 In Silico , i grandi piani di Markram si sono presto svelati. Da studente universitario in neuroscienze, Hutton era stato incaricato di leggere gli articoli di Markram ed era rimasto colpito dalla sua proposta di simulare il cervello umano; quando ha iniziato a fare film documentari, ha deciso di raccontare lo sforzo. Ben presto si rese conto, tuttavia, che l'impresa da miliardi di dollari era caratterizzata più da lotte intestine e obiettivi mutevoli che da una scienza rivoluzionaria.

In Silico mostra Markram come un leader carismatico che aveva bisogno di fare affermazioni audaci sul futuro delle neuroscienze per attirare i fondi per realizzare la sua visione particolare. Ma il progetto è stato turbato fin dall'inizio da una questione importante: non esiste un'unica teoria condivisa su come funziona il cervello, e non tutti sul campo erano d'accordo sul fatto che costruire un cervello simulato fosse il modo migliore per studiarlo. Non ci è voluto molto perché queste differenze emergessero nel progetto dell'UE.

Nel 2014, centinaia di esperti in tutta Europa hanno scritto una lettera citando preoccupazioni per la supervisione, i meccanismi di finanziamento e la trasparenza nel Progetto cervello umano . Gli scienziati hanno ritenuto che l'obiettivo di Markram fosse prematuro e troppo ristretto e escluderebbe finanziamenti per i ricercatori che cercavano altri modi per studiare il cervello.

Quello che mi ha colpito è stato, se ha avuto successo e l'ha acceso e il cervello simulato ha funzionato, cosa hai imparato? Me lo ha detto Terry Sejnowski, un neuroscienziato computazionale del Salk Institute che ha fatto parte del comitato consultivo dell'Iniziativa BRAIN. La simulazione è complicata quanto il cervello.

Il consiglio di amministrazione di Human Brain Project ha votato per cambiare la sua organizzazione e leadership all'inizio del 2015, sostituendo un comitato esecutivo di tre membri guidato da Markram con un consiglio di amministrazione di 22 membri. Christoph Ebell, imprenditore svizzero con un background in diplomazia scientifica, è stato nominato direttore esecutivo. Quando ho preso il controllo, il progetto era a un punto di crisi, dice. La gente si chiedeva apertamente se il progetto sarebbe andato avanti.

Ma qualche anno dopo anche lui se ne andò, dopo un disaccordo strategico con l'istituzione ospitante del progetto. Il progetto è ora incentrato sulla fornitura di una nuova infrastruttura di ricerca computazionale per aiutare i neuroscienziati a memorizzare, elaborare e analizzare grandi quantità di dati (la raccolta di dati non sistematica è stata un problema per il campo) e sviluppare atlanti cerebrali 3D e software per la creazione di simulazioni.

La US BRAIN Initiative, nel frattempo, ha subito le proprie modifiche. All'inizio, nel 2014, rispondendo alle preoccupazioni degli scienziati e riconoscendo i limiti di ciò che era possibile, si è evoluto in qualcosa di più pragmatico, concentrandosi su sviluppo di tecnologie per sondare il cervello.

Nuovo giorno

Quei cambiamenti hanno finalmente iniziato a produrre risultati, anche se non erano quelli che i fondatori di ciascuno dei grandi progetti del cervello avevano originariamente previsto.

L'anno scorso, il progetto Human Brain ha rilasciato a Mappa digitale 3D che integra diversi aspetti dell'organizzazione del cervello umano a livello di millimetro e micrometro. È essenzialmente un Google Earth per il cervello.

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E all'inizio di quest'anno Alipasha Vaziri, un neuroscienziato finanziato dalla BRAIN Initiative, e il suo team della Rockefeller University hanno riferito in un documento di prestampa di aver registrato simultaneamente l'attività di oltre un milione di neuroni attraverso la corteccia del topo. È la più grande registrazione dell'attività corticale animale mai realizzata, anche se lontana dall'ascoltare tutti gli 86 miliardi di neuroni nel cervello umano come sperava l'originale Brain Activity Map.

Lo sforzo statunitense ha anche mostrato alcuni progressi nel tentativo di costruire nuovi strumenti per studiare il cervello. Ha accelerato lo sviluppo dell'optogenetica, un approccio che utilizza la luce per controllare i neuroni, e il suo finanziamento ha portato a nuovi elettrodi di silicio ad alta densità in grado di registrare da centinaia di neuroni contemporaneamente. E ha probabilmente accelerato lo sviluppo del sequenziamento unicellulare. A settembre, i ricercatori che utilizzano questi progressi pubblicheranno una classificazione dettagliata dei tipi cellulari nel topo e nelle cortecce motorie umane, il più grande singolo risultato dell'iniziativa BRAIN fino ad oggi.

Sebbene questi siano tutti importanti passi avanti, sono lontani dalle grandi ambizioni iniziali.

Eredità duratura

Ci stiamo ora dirigendo verso l'ultima fase di questi progetti: lo sforzo dell'UE si concluderà nel 2023, mentre l'iniziativa statunitense dovrebbe avere finanziamenti fino al 2026. Ciò che accadrà nei prossimi anni determinerà l'impatto che avranno sulla campo delle neuroscienze.

Quando ho chiesto a Ebell quale vedeva come il più grande risultato del progetto Human Brain, non ha menzionato nessun risultato scientifico. Invece, ha indicato EBRAINS , una piattaforma lanciata nell'aprile di quest'anno per aiutare i neuroscienziati a lavorare con dati neurologici, eseguire modelli e simulare le funzioni cerebrali. Offre ai ricercatori un'ampia gamma di dati e collega molte delle più avanzate strutture di laboratorio, centri di supercalcolo, cliniche e centri tecnologici europei in un unico sistema.

Se mi chiedessi 'Sei felice di come è andata a finire?' Direi di sì, ha detto Ebell. Ha portato alle scoperte che alcuni si aspettavano in termini di acquisizione di una comprensione completamente nuova del cervello? Forse no.

Katrin Amunts, neuroscienziata dell'Università di Düsseldorf, dal 2016 direttrice della ricerca scientifica dello Human Brain Project, afferma che mentre il sogno di Markram di simulare il cervello umano non è stato ancora realizzato, si sta avvicinando. Useremo gli ultimi tre anni per realizzare tali simulazioni, dice. Ma non sarà un grande modello unico, saranno invece necessari diversi approcci di simulazione per comprendere il cervello in tutta la sua complessità.

Nel frattempo, l'iniziativa BRAIN ha fornito finora oltre 900 sovvenzioni ai ricercatori, per un totale di circa 2 miliardi di dollari. Si prevede che il National Institutes of Health spenderà quasi 6 miliardi di dollari per il progetto prima della sua conclusione.

Per la fase finale dell'iniziativa BRAIN, gli scienziati cercheranno di capire come funzionano i circuiti cerebrali creando diagrammi di neuroni collegati. Ma le affermazioni su ciò che può essere ottenuto sono molto più contenute rispetto ai primi giorni del progetto. I ricercatori ora si rendono conto che la comprensione del cervello sarà un compito continuo: non è qualcosa che può essere finalizzato entro la scadenza di un progetto, anche se quel progetto soddisfa i suoi obiettivi specifici.

Con uno strumento nuovo di zecca o un nuovo favoloso microscopio, sai quando ce l'hai. Se stai parlando di capire come funziona un pezzo del cervello o come il cervello svolge effettivamente un compito, è molto più difficile sapere quale sia il successo, afferma Eve Marder, neuroscienziata alla Brandeis University. E il successo per una persona sarebbe solo l'inizio della storia per un'altra persona.

Yuste e i suoi colleghi avevano ragione sul fatto che sarebbero stati necessari nuovi strumenti e tecniche per studiare il cervello in un modo più significativo. Ora, gli scienziati dovranno capire come usarli. Ma invece di rispondere alla domanda sulla coscienza, lo sviluppo di questi metodi ha, se non altro, solo aperto più domande sul cervello e mostrato quanto sia complesso.

Devo essere onesto, dice Yuste. Avevamo speranze più alte.

Emily Mullin è un giornalista freelance con sede a Pittsburgh che si occupa di biotecnologia.

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