La sfida delle neuroscienze: descrivere e decodificare l’architettura organizzativa delle connessioni neuronali

Alessandro Rossi  Professore ordinario di Neurologia, Direttore del Dipartimento di Scienze Neurologiche e Neurosensoriali, Università di Siena.


Alessandro RossiUn tema importante di cui oggi la scienza si occupa è lo studio della struttura, del comportamento e dell’evoluzione di sistemi complessi come gli ecosistemi, le società, l’economia globale, il cervello.

Per comprendere questi sistemi si richiede la conoscenza non solo dei componenti elementari del sistema, ma anche dei modi nei quali questi componenti interagiscono e le proprietà che emergono dalle loro interazioni. Studi condotti per oltre un secolo dalle neuroscienze sui componenti elementari del sistema nervoso, cioè sui neuroni, hanno svelato le loro straordinarie caratteristiche strutturali, morfologiche e funzionali. Ma tutti gli organismi viventi, compresi quelli dotati di un sistema nervoso elementare, hanno neuroni con proprietà simili. Il nostro cervello è unico e non lo è perché possiede cellule speciali: i suoi neuroni sono uguali a quelli del Caenorhabditis elegans, un nematode di un millimetro di lunghezza il cui sistema nervoso è stato dettagliatamente analizzato dai neuroscienziati. Sappiamo che “un neurone è un neurone” e che rappresenta l’unità di base universale. Ma neanche il loro numero totale, quindi le dimensioni del cervello, possono giustificare la nostra unicità. Infatti, sebbene il nostro cervello contenga il maggior numero in assoluto di neuroni per unità di volume rispetto alle altre specie, analizzando quantitativamente le sue caratteristiche e confrontandole con quelle di differenti specie animali, è stato concluso che non vi è alcuna relazione tra la dimensione e le potenzialità funzionali.

Qual’è quindi la spiegazione della nostra unicità di specie? Le neuroscienze hanno introdotto recentemente il concetto di connettoma. In anologia ed in assonanza con il genoma umano, si tratta della mappa completa delle connessioni cerebrali e quindi della loro geometria organizzativa. Tuttora, dopo più di un secolo di ricerca, manca una mappa completa delle connessioni non solo del cervello ma anche dei suoi sottosistemi. L’ipotesi è che noi siamo l’architettura delle nostre connessioni, che è unica in ciascuno di noi e che contiene tutte le informazioni riguardanti la nostra identità. In altri termini, la comunità scientifica è convinta che le proprietà del cervello emergono dall’architettura organizzativa delle sue connessioni, cioè dal suo diagramma di cablaggio e non dalla proprietà dei singoli elementi di per sé. Infatti, come per ogni sistema complesso, anche per il cervello le leggi che regolano il comportamento globale del sistema non sono deducibili dall’analisi delle leggi che regolano l’attività di ciascuno dei singoli costituenti.

Quindi la grande sfida lanciata dalle neuroscienze (formalizzata nel 2010 con un finanziamento iniziale di 40 milioni di dollari che il National Institute of Health ha destinato al progetto Human Connectome) è proprio quella di descrivere il sistema più complesso dell’universo conosciuto: 100 miliardi di neuroni, 130.000 miliardi di connessioni che coprono linearmente una distanza di 160.000 Km (circa quattro volte la circonferenza terrestre) e in grado di generare 1024 operazioni ogni secondo. Si stima che il connettoma umano sia in grado di gestire 1012 gigabytes di dati. Per avere un termine di confronto, l’intero genoma umano gestisce meno di 5 gigabytes.

Quando avremo descritto e decodificato la complessa architettura di connessioni cerebrali dove scorrono e interagiscono le complicate sequenze di attività elettrica generate dai nostri neuroni, quando avremo il diagramma di cablaggio del cervello umano, cioè il suo connettoma, potremo capire come riusciamo a programmare un movimento, elaborare un pensiero, rievocare il passato, analizzare il presente e immaginare il futuro. Ma potremo anche capire le basi di molte malattie neurologiche e mentali. ll progetto ha infatti implicazioni per una vasta gamma di malattie neurologiche e psichiatriche, come l’autismo, la schizofrenia e la malattia di Alzheimer.

Tutto questo si basa su una serie di presupposti scientifici, il primo dei quali risale a circa 20 anni fa. Nel 1996, dopo 12 anni di lavoro, il team di S. Brenner (Premio Nobel nel 2002) pubblicò la mappa completa delle connessioni tra tutti i neuroni del C. elegans con alcune lacune colmate nel 2006 da Chen, Hall e Chklovskii. La ricostruzione della struttura nervosa di questo Nematode (solo 302 neuroni con 7000 connessioni) cioè del “diagramma di cablaggio”, ha consentito di capire il suo comportamento. Adesso un progetto chiamato “OpenWorm project” ha replicato la rete di connessioni neuronali del C. elegans in un software che gestisce un robot. Senza alcuna istruzione programmata e usando solamente la rete di connessioni che replica il sistema nervoso del nematode, il robot si muove in maniera simile al C. elegans. Questo dimostra che il diagramma di cablaggio tra i neuroni è il fattore cruciale che determina le proprietà complessive del sistema nervoso.

Il diagramma di cablaggio del cervello, cioè l’insieme dei collegamenti che interconnettono i neuroni, non deve essere visto come l’equivalente di una stesura grafica di uno schema elettrico. Le connessioni cerebrali sono, infatti, soggette a continui cambiamenti. Il cervello, diversamente da quanto ritenuto in passato, è un sistema in perenne trasformazione. La vita plasma l’organizzazione delle nostre connessioni attraverso le nostre esperienze. Per esempio, nei primi mesi di vita si stabiliscono connessioni a un ritmo impressionante: 1/2 milione al secondo. Il ritmo decresce progressivamente e l’esperienza inizia a selezionare ed eliminare le connessioni inutili sino a che nell’adulto rimangono solo il 60% delle connessioni della prima infanzia.

Ma anche durante la vita adulta gran parte delle connessioni cerebrali subisce continui cambiamenti: possono essere create, rinforzate, indebolite o eliminate in ogni momento. Questa perenne trasformazione permette la formazione di nuovi moduli di associazione di neuroni durante l’apprendimento o le fasi di codifica di un evento da memorizzare.

Ma accanto a questa dinamica e continua riorganizzazione, ci sono connessioni strutturalmente stabili che formano i moduli di archiviazione dei nostri ricordi (autobiografici e semantici) e di tutti gli schemi motori che abbiamo appreso e conservato. In conclusione, la nostra identità è riflessa nell’architettura organizzativa delle nostre connessioni: “ciascuno di noi possiede la propria architettura di connessioni cerebrali ed è questa che fa di noi ciò che siamo”.

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