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Otto modi in cui gli scienziati stanno svelando i misteri del cervello umano
Nhung Le
Non c'è mistero scientifico più grande del cervello. È fatto principalmente di acqua; gran parte del resto è in gran parte grasso. Eppure questa massa di materiale di circa tre libbre produce i nostri pensieri, ricordi ed emozioni. Governa il modo in cui interagiamo con il mondo e gestisce il nostro corpo. Sempre di più, gli scienziati stanno iniziando a svelare le complessità di come funziona e capire come gli 86 miliardi di neuroni nel cervello umano formano le connessioni che producono idee e sentimenti, così come la capacità di comunicare e reagire. Ecco il nostro tour whistle-stop di alcune delle ricerche più all'avanguardia e perché è importante.
In che modo un insieme di cellule crea pensieri e comportamenti?
Cos'è:
I neuroscienziati cognitivi e comportamentali studiano come le proteine, i geni e le strutture del nostro cervello danno origine a comportamenti e processi mentali. In che modo il cervello impara e ricorda le cose? Come prende le decisioni? Come elabora e risponde al mondo?
Perchè importa:
Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2021
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Comprendere la memoria può aiutarci a curare l'Alzheimer; comprendere la ricerca della ricompensa può aiutare ad affrontare la dipendenza; la comprensione delle emozioni può fornire nuovi indizi sulla prevenzione della depressione.
Il tagliente:
Sheena Josselyn, neuroscienziata dell'Hospital for Sick Children di Toronto, studia come e dove il cervello immagazzina i ricordi. Dice che l'identificazione dei circuiti neurali - gruppi interconnessi di neuroni - responsabili della memorizzazione di ricordi specifici potrebbe essere la chiave per il trattamento dei disturbi della memoria, perché non è ottimale somministrare semplicemente a qualcuno un farmaco che influisca sull'intero cervello.
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Perché ti senti solo? La neuroscienza inizia a trovare risposte. La caccia alla solitudine di un neuroscienziato potrebbe aiutarci a comprendere meglio i costi dell'isolamento sociale.Non possiamo trattare il cervello come una scodella di zuppa: se aggiungiamo un po' di origano, tutto verrà fuori meglio, dice Josselyn. Dobbiamo capire esattamente dove vogliamo indirizzare le cose. Per creare trattamenti mirati in modo più preciso, vuole comprendere meglio i neuroni e i circuiti neurali che sono importanti nella formazione, nell'alloggiamento e nel richiamo di un ricordo.
Recentemente, il laboratorio di Josselyn ha identificato a nuovo percorso importante per recuperare i ricordi più vecchi . Questo percorso conduce dall'ippocampo, una regione del cervello che controlla l'apprendimento e la memoria, al talamo, che agisce come una sorta di stazione di trasmissione di informazioni sensoriali nel cervello. Quando i ricercatori hanno disattivato questo percorso nei topi, gli animali hanno potuto ricordare un'esperienza del giorno prima ma non una del mese precedente.
Kay Tye, professore di neuroscienze al Salk Institute, studia i percorsi neurali coinvolti nell'apprendimento e nelle emozioni come la solitudine per far luce sull'abuso di sostanze e sull'ansia. Il laboratorio di Tye ha identificato a via neurale che aiuta a guidare il comportamento quando segnali simultanei segnalano risultati positivi e negativi.
La prossima frontiera:
Una volta che comprendiamo meglio le regioni del cervello, i percorsi e i neurotrasmettitori coinvolti nella memoria, l'ansia e la paura, e come questi possono essere alterati, possiamo sviluppare strategie più precise per curare le malattie.
È nei tuoi geni
Cos'è:
Il campo della neurogenetica esplora come i geni influenzano la struttura e la funzione del sistema nervoso.
VellutoPerchè importa:
Se riusciamo a identificare il ruolo dei geni, potremmo essere in grado di diagnosticare i disturbi cerebrali in modo più preciso e accurato, o addirittura intervenire per fermarne il progresso.
Il tagliente:
Steven McCarroll, direttore della neurobiologia genomica per lo Stanley Center for Psychiatric Research del Broad Institute, studia i geni legati alla schizofrenia. In collaborazione con un team di ricercatori, ha identificato varianti in a gene associato al disturbo ; queste varianti hanno generato più di una proteina coinvolta nell'etichettare le sinapsi (connessioni tra i neuroni) per la rimozione.
Quando McCarroll e i suoi colleghi hanno aumentato l'espressione del gene nei topi, i topi hanno finito con meno sinapsi . La loro memoria di lavoro era compromessa e il loro comportamento sociale è cambiato. I ricercatori pensano che queste variazioni genetiche possano essere correlate al perdite di sinapsi e cambiamenti comportamentali osservati nelle persone con schizofrenia.
Lo ha identificato Ying-Hui Fu, professore di neurologia all'Università della California di San Francisco tre diverse mutazioni genetiche che riducono la quantità di sonno di cui le persone hanno bisogno.
Uno di questi protegge anche dai problemi di memoria normalmente associati alla privazione del sonno.
Altri ricercatori stanno cercando geni che mantengono le persone relativamente sane anche quando portano altri geni che li mettono a rischio di malattia di Alzheimer ad esordio precoce.
La prossima frontiera:
Identificando come i geni contribuiscono alle malattie, gli scienziati potrebbero essere in grado di sviluppare trattamenti, magari usando farmaci per bloccare l'azione di una proteina prodotta da un gene che causa la malattia o per imitare l'azione di uno protettivo. Si stanno anche studiando terapie geniche per mettere a tacere i geni dannosi. Un tale trattamento per la malattia neurologica sclerosi laterale amiotrofica (ALS) è stato autorizzato per i processi negli Stati Uniti; una prova di terapia genica per Malattia di Huntington è in corso.
Ingegneria del cervello
Cos'è:
I neuroingegneri sono alla ricerca di modi per collegare il sistema nervoso, compreso il cervello, alle macchine. I dispositivi sperimentali possono tradurre l'attività neuronale in testo o far muovere un arto artificiale; alcuni convertono le informazioni dai sensori artificiali in stimoli nervosi che il cervello può capire.
Perchè importa:
La tecnologia ora può aiutare a ripristinare la capacità di comunicare, provare sensazioni e muoversi nelle persone che sono paralizzate o hanno subito amputazioni. Gli impianti che stimolano il cervello possono anche offrire nuovi modi di trattare epilessia , dolore cronico , e cecità .
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Il chirurgo che vuole connetterti a Internet con un impianto cerebrale Eric Leuthardt crede che nel prossimo futuro consentiremo ai medici di inserire elettrodi nel nostro cervello in modo da poter comunicare direttamente con i computer e tra di noi.Il tagliente:
I neuroingegneri di Stanford stanno utilizzando le misurazioni dell'attività cerebrale per aiutare a ripristinare la funzione nelle persone paralizzate. Recentemente, lavorando con un uomo paralizzato dal collo in giù, i ricercatori impiantato due schiere di minuscoli elettrodi in una parte del suo cervello responsabile del movimento della mano. Mentre l'uomo immaginava di scrivere lettere, gli scienziati hanno utilizzato l'apprendimento automatico per tradurre la sua attività cerebrale in lettere su uno schermo. Usando questo sistema, l'uomo potrebbe scrivere 90 lettere al minuto, più del doppio del record precedente per la digitazione tramite l'attività cerebrale.
In futuro, questi dispositivi potrebbero migliorare la cognizione, permetterci di comunicare da cervello a cervello o creare esperienze di realtà virtuale ultra realistiche che incorporano tutti i nostri sensi.
Altri neuroingegneri stanno lavorando su protesi in grado di trasmettere informazioni sensoriali all'utente. Luke Osborn, un neuroingegnere della Johns Hopkins University, sta lavorando su modi per trasmettere diversi tipi di sensazioni nelle persone che hanno subito amputazioni stimolando i nervi dell'arto sopra il sito dell'amputazione. Finora, i dispositivi possono trasmettere sensazioni di pressione e anche un lieve dolore. Le sensazioni del dolore sono una fonte di informazioni critiche, dice Osborn, facendoci sapere quando potremmo fare qualcosa di pericoloso.
La prossima frontiera:
I dispositivi che collegano cervelli e computer potrebbero essere potenzialmente utilizzati non solo per ripristinare funzioni che sono andate perse, ma anche per migliorare le capacità del nostro cervello. In futuro, questi dispositivi potrebbero migliorare la cognizione, permetterci di comunicare da cervello a cervello o creare esperienze di realtà virtuale ultra realistiche che incorporano tutti i nostri sensi.
Come fare un cervello
Cos'è:
La neuroscienza dello sviluppo esplora come la struttura e la funzione del cervello cambiano nel tempo man mano che un organismo matura. In che modo i singoli neuroni trovano la loro strada nel posto giusto nel cervello?
Perchè importa:
Comprendere lo sviluppo del cervello e ciò che lo fa andare storto potrebbe aiutarci ad affrontare condizioni come la microcefalia, l'autismo e l'ADHD. E se sappiamo in che modo gli eventi prima della nascita e durante l'infanzia influenzano la struttura e la funzione del cervello in via di sviluppo, saremo in grado di offrire ai bambini la possibilità migliore per uno sviluppo sano.
Il tagliente:
Madeline Lancaster, presso il Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology nel Regno Unito, studia lo sviluppo del cervello utilizzando organoidi, ammassi di cellule tridimensionali derivati da cellule staminali umane che si auto-organizzano in un organo in miniatura, semplificato, ma ancora simile al cervello. Per modellare in modo più accurato il cervello umano, sta creando organoidi che vivono più a lungo e imitare diversi tipi di strutture cerebrali.
Utilizzando questo approccio, Lancaster ha scoperto che una proteina chiamata ZEB2 è fondamentale per regolare la notevole espansione dello sviluppo che rende i cervelli umani molto più grandi di quelli delle scimmie. Comprendere i processi che regolano le dimensioni del cervello potrebbe aiutarci a comprendere meglio le cause della microcefalia e di altri disturbi in cui il cervello fetale non riesce a svilupparsi correttamente.
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Piccoli grumi cerebrali offrono nuovi indizi sulla causa dell'autismo Gli organoidi cerebrali prodotti dalle cellule staminali dei pazienti con autismo potrebbero aiutare i ricercatori a determinare i fattori che portano al disturbo.Anche lo sviluppo del cervello che si verifica dopo la nascita è importante. Rebecca Saxe al MIT sta lavorando per comprendere le strutture cerebrali e le attività responsabili della cognizione sociale, che ci permette di considerare gli stati mentali di altre persone.
Saxe ha scoperto un particolare regione del cervello questa è la chiave; studiando come cambia l'attività in questa regione e in altre nel corso dell'infanzia , potrebbe essere in grado di capire come si sviluppano le abilità sociali. Ha anche scoperto che questi schemi di attività cerebrale sono alterati nelle persone con disturbi dello spettro autistico .
La prossima frontiera:
Anche se i ricercatori stanno iniziando a comprendere alcuni dei processi che governano lo sviluppo e hanno individuato cose che possono farlo deragliare, siamo ben lontani dall'essere in grado di intervenire quando si verificano tali problemi. Ma man mano che acquisiamo informazioni, un giorno potremmo testare terapie o altri modi per affrontare questi problemi di sviluppo.
Computer che imitano il cervello
Cos'è:
I neuroscienziati computazionali utilizzano modelli matematici per comprendere meglio come le reti di cellule cerebrali ci aiutano a interpretare ciò che vediamo e udiamo, a integrare nuove informazioni, a creare e archiviare ricordi e a prendere decisioni.
Perché è importante:
Capire come l'attività dei neuroni governi la cognizione e il comportamento potrebbe portare a modi per migliorare la memoria o comprendere i processi patologici.
Il tagliente:
Terry Sejnowski, neurobiologo computazionale presso il Salk Institute, ha costruito a modello informatico della corteccia prefrontale e ne ha analizzato le prestazioni su un compito in cui una persona (o una macchina) deve ordinare le carte secondo una regola in continua evoluzione. Mentre gli esseri umani sono bravi ad adattarsi, le macchine generalmente lottano. Ma il computer di Sejnowski, che imita i modelli di flusso di informazioni osservati nel cervello, si è comportato bene in questo compito. Questa ricerca potrebbe aiutare le macchine a pensare in modo più simile agli esseri umani e ad adattarsi più rapidamente alle nuove condizioni.
Aude Oliva, direttrice del MIT-IBM Watson AI Lab, utilizza strumenti computazionali per modellare e prevedere come i cervelli percepiscono e ricordano le informazioni visive. La sua ricerca mostra che immagini diverse portare a determinati modelli di attività sia nella corteccia delle scimmie che nei modelli di rete neurale, e che questi modelli predicono quanto sarà memorabile una certa immagine.
La prossima frontiera:
Ricerche come quella di Sejnowski possono ispirare macchine più intelligenti, ma potrebbero anche aiutarci a comprendere i disturbi in cui la funzione della corteccia prefrontale è alterata, tra cui la schizofrenia, la demenza e gli effetti del trauma cranico.
Perché le cose vanno in pezzi?
Cos'è:
I ricercatori stanno cercando di determinare i fattori di rischio genetici e ambientali per le malattie neurodegenerative, nonché i meccanismi alla base delle malattie.
VellutoPerché è importante:
Migliorare la prevenzione, la diagnosi precoce e il trattamento di malattie come l'Alzheimer, il Parkinson, l'Huntington, l'encefalopatia traumatica cronica e la SLA andrebbero a beneficio di milioni di persone in tutto il mondo.
Il tagliente:
Yakeel Quiroz, al Massachusetts General Hospital, studia i cambiamenti nella struttura e nella funzione del cervello che si verificano prima dell'inizio dei sintomi dell'Alzheimer. Sta cercando biomarcatori che potrebbero essere utilizzati per la diagnosi precoce della malattia e cercando di individuare potenziali bersagli terapeutici. Uno potenziale biomarcatore dell'Alzheimer ad esordio precoce che ha scoperto, una proteina chiamata NfL, è elevata nel sangue più di due decenni prima della comparsa dei sintomi. Quiroz ha anche identificato una donna con a mutazione genetica protettiva che le ha impedito di sviluppare disturbi cognitivi e degenerazione cerebrale anche se il suo cervello mostrava alti livelli di amiloide, una proteina implicata nello sviluppo dell'Alzheimer. Lo studio degli effetti di questa mutazione benefica potrebbe portare a nuove terapie.
Ricercatori presso il Iniziativa per la diagnosi precoce delle malattie neurodegenerative nel Regno Unito stanno analizzando se i dati digitali raccolti da smartphone o dispositivi indossabili potrebbero dare segnali precoci di malattia prima che si sviluppino i sintomi. Una delle iniziative progetti —una partnership con la Boston University—raccoglierà dati utilizzando app, monitoraggio delle attività e monitoraggio del sonno nelle persone con e senza demenza per identificare possibili firme digitali della malattia.
La prossima frontiera:
Man mano che impariamo di più sulle cause alla base delle malattie neurodegenerative, i ricercatori stanno cercando di tradurre questa conoscenza in trattamenti efficaci. Sono attualmente in corso studi clinici avanzati mirati ai meccanismi della malattia di nuova comprensione per molti disturbi neurodegenerativi, tra cui Alzheimer , Parkinson , e COME .
È tutto connesso
Cos'è:
I ricercatori di Connectomics mappano e analizzano le connessioni neuronali, creando uno schema elettrico per il cervello.
Perché è importante:
Comprendere queste connessioni farà luce su come funziona il cervello; molti progetti stanno esplorando il modo in cui le connessioni su scala macro vengono alterate durante sviluppo , invecchiamento , o malattia .
Il tagliente:
Mappare queste connessioni non è facile: potrebbero essercene tante 100 trilioni di connessioni nel cervello umano , e sono tutti minuscoli. I ricercatori devono trovare i modi migliori per etichettare neuroni specifici e tracciare le connessioni che creano con altri neuroni in parti remote del cervello, perfezionare la tecnologia per raccogliere queste immagini e capire come analizzare le montagne di dati prodotte da questo processo.
Una collaborazione che includeva lo scienziato informatico di Google Viren Jain e il neuroscienziato di Harvard Jeff Lichtman ha recentemente completato il mappa più dettagliata di una sezione del cervello umano mai prodotto. Con l'imaging di un millimetro cubo di cervello a livello di nanoscala, hanno mappato 50.000 cellule e oltre 130 milioni di sinapsi, ottenendo 1,4 petabyte di dati. In precedenza, Lichtman aveva contribuito allo sviluppo Brainbow , una tecnica che consente l'etichettatura colorata dei singoli neuroni negli animali viventi, consentendo agli scienziati di tracciare le connessioni neuronali.
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Questa è una mappa di mezzo miliardo di connessioni in un minuscolo pezzo di cervello di topo I nostri cervelli non sono così diversi da quelli dei topi e un nuovo enorme set di dati ci offre uno sguardo più da vicino a entrambi.
Sebastian Seung, neuroscienziato computazionale a Princeton, ha aperto la strada a una tecnica che utilizza il crowdsourcing e l'apprendimento automatico per trasformare immagini grezze in mappe neuronali tridimensionali utilizzabili, con sinapsi identificate e tipi cellulari classificati. Nel primo progetto, chiamato EyeWire , i cittadini scienziati hanno aiutato a mappare i neuroni nella retina. Il progetto attuale, FlyWire , è uno sforzo ambizioso per mappare le connessioni neuronali nell'intero cervello di un moscerino della frutta.
L'Allen Institute di Seattle, un attore importante nella ricerca sulla connettività cerebrale, mette a disposizione del pubblico le sue mappe cerebrali. UN topo atlante di connettività cerebrale che è compilato include mappe specifiche del tipo di cellula di connessioni tra il talamo (una stazione di trasmissione sensoriale e motoria) e la corteccia.
La prossima frontiera:
Mappare le singole connessioni neuronali nel cervello umano non è un'impresa da poco. Ci sono anche variazioni tra e all'interno degli individui: le connessioni probabilmente cambieranno man mano che il nostro cervello si sviluppa, apprende e invecchia. La creazione di singole mappe cerebrali su microscala per tutti probabilmente ci fornirebbe un livello di intuizione senza precedenti, ma per ora è un sogno lontano.
Salute mentale
Cos'è:
Perché e come si sviluppano malattie psichiatriche e disturbi cerebrali è ancora in gran parte un mistero. I neuroscienziati usano neuroimaging, genetica, biochimica, apprendimento automatico, studi comportamentali e altro per comprendere le cause molecolari e ambientali.
VellutoPerché è importante:
La malattia mentale è una delle principali cause di disabilità nel mondo. Circa 264 milioni di persone soffrono di depressione, 45 milioni di disturbo bipolare e 20 milioni di schizofrenia.
Il tagliente:
Satrajit Ghosh, neuroscienziato del MIT, sta usando i modelli del linguaggio e le neuroimmagini per migliorare le valutazioni della salute mentale negli esseri umani. A breve termine, Ghosh spera che questo possa essere utilizzato per migliorare la diagnosi e ci sono già alcune prove che può aiutare a prevedere quali pazienti risponderanno a quali terapie. Ma in futuro, dice Ghosh, vogliamo essere in grado di misurare qualcosa, prevedere qualche stato futuro e... regolare il comportamento al volo in modo da non raggiungere mai quello stato.
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Le terapie che utilizzano la stimolazione cerebrale stanno fornendo nuove opzioni di trattamento per il disturbo ossessivo-compulsivo (DOC). Stimolazione cerebrale profonda —in cui gli elettrodi sono impiantati nel cervello—offre un sollievo sostanziale per alcune persone il cui disturbo ossessivo compulsivo non risponde ad altri trattamenti. Anche forme meno invasive di stimolazione neurale hanno mostrato risultati iniziali promettenti. Appena cinque giorni di non invasivo stimolazione cerebrale riduzione dei comportamenti ossessivo-compulsivi per tre mesi nelle persone che mostravano alcuni sintomi di DOC.
I ricercatori stanno facendo progressi nella comprensione e nel trattamento dei disturbi da uso di sostanze, identificando i modelli di connettività cerebrale che aumentare o diminuire il rischio di sviluppare una dipendenza . Forse un giorno, i percorsi neurali che aiutano le persone a resistere alla dipendenza potrebbero essere rafforzati terapeuticamente.
Si stanno esplorando droghe una volta classificate come ricreative per il trattamento di malattie mentali. Nel 2019, la Food and Drug Administration statunitense esketamina approvato per la depressione resistente al trattamento , la prima volta in 30 anni che a farmaco con un nuovo meccanismo di azione era stata approvata per la condizione. Più recentemente, a sperimentazione clinica di fase 3 ha mostrato che le persone con disturbo da stress post-traumatico che hanno ricevuto MDMA (alias Ecstasy) insieme alla terapia tradizionale sono migliorate sostanzialmente rispetto a quelle che hanno ricevuto la sola terapia. La psilocibina, il componente attivo dei funghi magici, è in sperimentazione clinica per il trattamento di depressione, disturbo da consumo di alcol, disturbo ossessivo compulsivo, anoressia e altro.
La prossima frontiera:
Un giorno, i pazienti con disturbi cerebrali possono essere valutati e trattati in base alla loro genetica, insieme a biomarcatori e scansioni dell'attività cerebrale.
I ricercatori stanno esplorando come la genetica potrebbe guidare le scelte terapeutiche per i pazienti con depressione , come connettività in regioni del cervello come l'amigdala potrebbe portare a una comprensione più personalizzata dei disturbi legati alla paura e all'ansia e come a base di sangue i biomarcatori potrebbero tracciare la risposta al trattamento nella depressione e nel disturbo bipolare.