Cervello: il Connettoma umano, le mappe dei pensieri

Un progetto mondiale, cui lavora anche l’Italia, per scoprire da quali aree partono le nostre idee e quali strade percorrono. E anche per studiare farmaci efficaci nelle principali malattie neurologiche

Cervello: il Connettoma umano, le mappe dei pensieri Cervello: il Connettoma umano, le mappe dei pensieri

di Daniela Ovadia

Strade, autostrade, incroci, ingorghi, deviazioni: non è il percorso di un automobilista in una grande città, ma una metafora di quanto accade alla trasmissione delle informazioni nel nostro cervello.

Capire che strada fanno, dove nascono, come si propagano e dove vanno a finire stimoli e pensieri è la nuova frontiera in neuroscienze e l’obiettivo di un ambito di ricerca, la connettomica , finanziato dai National institutes of health statunitensi con un fondo di 30 milioni di dollari annui, da qui al 2015.

Traguardo finale: ricreare una mappa realistica di come funzioniamo, per intervenire quando i ponti si interrompono e compaiono le malattie da mancata connessione (a questa categoria sembrano appartenere molti disturbi neurologici e psichiatrici come l’autismo, la schizofrenia e i disturbi ossessivo-compulsivi). Come pure utilizzare le conoscenze acquisite sul funzionamento di reti biologiche per costruire reti artificiali più veloci ed efficienti, premessa indispensabile allo sviluppo dell’intelligenza artificiale e di nuove generazioni di computer.

«Il bando americano è stato chiamato Progetto connettoma umano, sul modello del Progetto genoma che ha portato alla mappatura completa del dna» spiega Pietro Pietrini, direttore della cattedra di biochimica clinica e del laboratorio di analisi cliniche specialistiche presso la facoltà di medicina e chirurgia all’Università di Pisa. «Per connettoma si intende l’insieme di tutti i collegamenti che i neuroni creano l’uno con l’altro nella corteccia cerebrale nel corso della vita di un individuo, al fine di elaborare le informazioni provenienti dall’esterno. In sostanza, si ritiene che il cervello funzioni in modo segregato, ossia ogni area per il proprio compito specifico, ma anche integrato nell’unità di tempo: cioè in collaborazione con altre aree coinvolte in un determinato compito. Bisogna quindi sovrapporre queste due visioni per avere un ritratto veritiero di come si comporta il nostro organo nobile».

Poiché le connessioni dipendono in gran parte dalle esperienze individuali, con vie preferenziali in base alla natura dello stimolo da elaborare, si comprende come il compito sia tutt’altro che facile: ognuno di noi ha di fatto un cervello che è unico e determina la nostra personalità. Questo ci differenzia, per esempio, dai computer: che, se sono della stessa marca e utilizzano il medesimo hardware e software, si comportano esattamente allo stesso modo. Grazie a complessi calcoli statistici è però possibile ricondurre le caratteristiche individuali a modalità di funzionamento comuni.

«In realtà i progetti sul connettoma sono due» precisa Pietrini. «Il primo vuole ricreare una mappa tridimensionale delle connessioni anatomiche tra le cellule, indipendentemente dal fatto che siano utilizzate o meno e in che modo (ci sono connessioni con funzione attivatoria e altre con funzione inibitoria). Il secondo progetto vuole arrivare allo sviluppo di una connettomica funzionale, cioè a capire quali vie sono utilizzate, e come, mentre si fa un certo compito».

In altre parole, il primo è il lavoro del cartografo che disegna le mappe stradali, il secondo è quello di chi fa l’analisi del traffico in tempo reale, per cui scopre che certe vie sono più trafficate di altre o che il flusso in un luogo cresce e diminuisce nei diversi momenti della giornata.

Al primo filone appartiene uno dei padri della connettomica, il biologo molecolare Jeff Lichtman, che lavora all’Università di Harvard, Stati Uniti. È lui che ha inventato un’affettatrice molto speciale, in grado di produrre sezioni sottilissime del cervello di topo (spesse 10 nanometri e lunghe 5 metri) di cui poi si contano tutte le connessioni, le diramazioni cellulari e le sinapsi. Un computer somma le misurazioni e ricompone in 3D questo incredibile groviglio di fili e nodi.

«Il mio problema è che ogni volta che taglio una fetta di cervello, per quanto sottile, perdo una parte di informazione e, anche se apporto dei correttivi, non otterrò mai una ricostruzione fedele al 100 per cento» dice Lichtman. «Ma non c’è soluzione: come ha detto già nel 1993 sulla rivista Nature il padre della genomica, Francis Crick, abbiamo bisogno di un connettoma così come abbiamo avuto bisogna di un genoma, altrimenti la conoscenza non andrà avanti».

Per fare fronte a questo impegno, Lichtman si è fatto promotore di iniziative che sono poi sfociate nel progetto degli Nih, anche se sa che non basta. «Il lavoro è immane e mi rifiuto persino di dire quanto potrebbe costare» afferma. «Se lo faccio, gli investitori si spaventano e il progetto non parte. Dobbiamo però contare, come è stato per il Progetto genoma, sul contributo di tutti i ricercatori che, nei diversi paesi, stanno già lavorando su questi temi».

In Italia, oltre all’Università di Pisa, vi sono progetti specifici anche all’Istituto Besta di Milano e al Parco biomedico del San Raffaele, dove si sta studiando, nello specifico, il ruolo del connettoma nel cervelletto in alcune patologie come la schizofrenia. «È ormai dimostrato che alcune malattie neurologiche e psichiatriche sono causate da alterate connessioni tra aree cerebrali che dovrebbero collaborare per un determinato risultato, ma non lo fanno» spiega Marco Catani, psichiatra che è responsabile di un progetto di connettomica applicata alla psichiatria presso il King’s College di Londra e che collabora con molte istituzioni italiane. «È il caso della depressione, dei disturbi ossessivo-compulsivi e della schizofrenia, ma anche di altre psicopatie».

Lo scorso agosto Catani, insieme con alcuni collaboratori, ha pubblicato su Molecular Psychiatry un articolo che ha fatto molto discutere: vi si ipotizza che alla base di alcuni disturbi psicopatici, come la serialità negli omicidi e negli stupri, vi sia un difetto di connessione tra l’amigdala, il centro della paura, e la corteccia orbitofrontale, che governa le decisioni consapevoli. «Già si ipotizzava che vi fosse un mancato collegamento tra queste due strutture, ma nessuno l’aveva dimostrato nei criminali» racconta Catani. «Lo abbiamo fatto noi, con una tecnica chiamata trattografia con risonanza magnetica (in sigla Dt-Mri), che permette di visualizzare i fasci di fibre che collegano un’area del cervello all’altra. E abbiamo scoperto che c’è una marcata riduzione nel numero dei collegamenti negli psicopatici, se confrontati con persone sane della medesima età. Senza lo studio delle connessioni non avremmo mai potuto dimostrare che il cervello di un killer seriale è diverso da quello di un individuo sano, perché l’alterazione non è riscontrabile a livello macroscopico o funzionale e non si vede con la risonanza normale».

Gli studi psichiatrici non sono i soli a giovarsi di queste nuove tecniche, poiché con la connettomica si scoprono novità anche in ambiti nei quali sembrava che le conoscenze fossero ormai acquisite. Sempre Catani, nel 2004, ha identificato una terza area cerebrale coinvolta nella produzione e comprensione del linguaggio, oltre alle due più classiche di Broca e Wernicke, presenti su tutti i libri di testo.

«La connettomica permette di vedere lo sviluppo e gli effetti di una malattia del cervello» conclude Pietrini. «Analizzando come certe strade perdono importanza man mano che i danni si instaurano (cosa che è stata fatta, per esempio, nell’Alzheimer) o smettono di funzionare, capiamo anche come il disturbo modifica il funzionamento normale dell’organo. Ma possiamo anche pensare di intervenire per riparare qualche danno: basti pensare alla riabilitazione dopo un ictus. Poiché il nostro cervello è un organo plastico, è capace di aggirare una via inagibile per crearne una nuova che porti allo stesso risultato».

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