La mappa dell'attività cerebrale

Uno sforzo proposto per mappare l'attività cerebrale su larga scala, che dovrebbe essere annunciato dalla Casa Bianca alla fine di questo mese, potrebbe aiutare i neuroscienziati a comprendere le origini della cognizione, della percezione e di altri fenomeni. Queste attività cerebrali non sono state ben comprese fino ad oggi, in parte perché derivano dall'interazione di grandi insiemi di neuroni i cui sforzi coordinati gli scienziati non possono attualmente monitorare.

Link attivi: Una molecola fluorescente nei neuroni del cervello di un topo si illumina quando le cellule cerebrali si attivano.

Ci sono tutti i tipi di strumenti straordinari per studiare il mondo microscopico delle singole cellule, afferma John Donoghue, neuroscienziato della Brown e partecipante al progetto. E dal punto di vista macroscopico, abbiamo strumenti come la risonanza magnetica e l'EEG che ci raccontano la funzione del cervello e la sua struttura, ma a bassa risoluzione. C'è un vuoto nel mezzo. Abbiamo bisogno di registrare molti, molti neuroni esattamente mentre operano con precisione temporale e in vaste aree, dice.

Un articolo pubblicato giovedì in Scienza online espande gli obiettivi già ambiziosi del progetto oltre alla semplice registrazione simultanea dell'attività di tutti i singoli neuroni in un circuito cerebrale. I ricercatori dovrebbero anche trovare modi per manipolare i neuroni all'interno di quei circuiti e comprendere la funzione del circuito attraverso nuovi metodi di analisi e modellazione dei dati, scrivono gli autori.

Secondo i partecipanti al progetto, capire come i neuroni comunicano tra loro in vaste regioni del cervello sarà fondamentale per capire come funziona il cervello. Altri sforzi per mappare le connessioni fisiche nel cervello sono già in corso (vedi TR10: Connectomics and Mapping the Brain on a Massive Scale), ma questi progetti guardano ai cervelli statici o possono solo avere una visione approssimativa di come le regioni del cervello comunicare. Il nuovo progetto probabilmente inizierà ad applicare le sue nuove e ancora sconosciute tecnologie su cervelli più semplici, come quelli delle mosche, e probabilmente impiegheranno decenni per raggiungere i suoi obiettivi.

Si prevede che numerosi leader dei settori delle neuroscienze, delle nanotecnologie e della biologia sintetica collaboreranno allo sforzo. Abbiamo bisogno di qualcosa su larga scala per provare a costruire strumenti per il futuro, afferma Rafael Yuste , neurobiologo della Columbia University e membro del progetto. Ci consideriamo costruttori di strumenti. Penso che potremmo fornire alla comunità scientifica i metodi che potrebbero essere utilizzati per la prossima fase delle neuroscienze.

Oltre ad approfondire la comprensione fondamentale del cervello, il progetto potrebbe anche portare a nuovi trattamenti per i disturbi psichiatrici e neurologici. Se comprendiamo veramente come emergono cose come pensieri, cognizione e altre caratteristiche del cervello, allora dovremmo avere una migliore comprensione dei disturbi dell'umore, del Parkinson, dell'epilessia e di altre condizioni che si pensa derivino da problemi di circuiti cerebrali, afferma Donoghue. .

I dettagli su quali idee tecnologiche riceveranno il via libera e quanti soldi sosterranno il loro sviluppo dovrebbero essere rivelati nell'annuncio della Casa Bianca che deve ancora venire. È probabile che il progetto sia sostenuto dal National Institutes of Health, dalla National Science Foundation, dalla Defense Advanced Research Projects Agency, dall'Office of Science and Technology Policy e da fondazioni private, affermano i partecipanti. Non è ancora chiaro quanti soldi saranno necessari o a quali tecnologie verrà data la priorità.

Qualunque sia la particolare tecnologia che emerge, è probabile che sia coinvolta la nanotecnologia, in parte a causa della necessità di sensori più piccoli e più veloci per registrare l'attività neuronale nel cervello. I sensori esistenti possono registrare l'attività elettrica dei neuroni, ma questi chip in genere possono monitorare meno di 100 neuroni alla volta e non possono registrare l'attività dei neuroni vicini, il che sarebbe necessario per capire come i neuroni interagiscono tra loro. Paul Weiss , direttore del California NanoSystems Institute presso l'Università della California, Los Angeles, un partecipante al progetto, afferma che le tecniche di nanofabbricazione potrebbero risolvere questo problema, con chip più piccoli dotati di sonde elettriche e persino chimiche più piccole. Abbiamo avuto oltre un decennio un investimento abbastanza consistente nella scienza e nella tecnologia per sviluppare la capacità... di controllare come ciò che facciamo interagisce con il mondo chimico, fisico e biologico, dice.

Anche nuove tecniche ottiche potrebbero aiutare il progetto di mappatura. Attualmente, molti gruppi di ricerca utilizzano coloranti fluorescenti sensibili al calcio per studiare l'attivazione dei neuroni, ma Yuste vuole sviluppare una tecnica ottica che utilizzi coloranti fluorescenti sensibili al voltaggio per una lettura più rapida. I neuroni comunicano usando la tensione, dice. Vorremmo sviluppare l'imaging del voltaggio in modo da poter misurare direttamente l'attività neuronale.

Sebbene molte cose sul progetto siano incerte, una cosa è chiara: ci saranno molti dati da archiviare, condividere e analizzare. Abbiamo appena iniziato a scalfire la superficie di come si gestiscono i dati negli spazi ad alta dimensione, afferma Terry Sejnowski, neuroscienziato computazionale presso il Salk Institute. Se stai parlando di un milione di neuroni, nessuno può nemmeno immaginare come sia: è molto oltre ciò che possiamo percepire in tre dimensioni.

Il Scienza articolo abbozza anche una linea temporale approssimativa. Entro cinque anni dovrebbe essere possibile monitorare decine di migliaia di neuroni; tra 15 anni dovrebbe essere possibile un milione di neuroni. Il cervello di una mosca ha circa 100.000 neuroni, quello di un topo circa 75 milioni e quello di un umano circa 85 miliardi. Con un milione di neuroni, gli scienziati saranno in grado di valutare la funzione dell'intero cervello del pesce zebra o di diverse aree della corteccia cerebrale del topo, scrivono gli autori.

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