Una corretta produzione di cellule nel cervello, senza carenze o pericolosi eccessi che possono portare a malattie come l’Alzheimer, dipende da un gene scoperto da una ricerca italiana, pubblicata sulla rivista Cell Reports. Lo studio è coordinato da un team dell’Università di Torino guidato da Silvia De Marchis, del Neuroscience Institute Cavalieri Ottolenghi (Nico) e del Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei Sistemi (Dbios), in collaborazione con il laboratorio dell’Università di Nizza diretto da Michèle Studer.

Un risultato che apre “interessanti prospettive per il trattamento di disfunzioni cognitive associate alle malattie neurologiche”, spiega De Marchis. Se si sapeva già dell’esistenza di cellule staminali in alcune regioni del cervello, il meccanismo che regola la formazione di nuovi neuroni è ancora terreno di ricerca scientifica, ecco perché la scoperta dell’esistenza di un regista che coordina questa funzione rappresenta un importante risultato.

Un ruolo determinante

Denominato Coup-Tfi, il gene era già noto per le numerose funzioni che ha nello sviluppo del cervello, ma ora è stato individuato il suo ruolo di regolamentazione sulle cellule staminali, affinché producano la corretta quantità di cellule nervose a forma di stella (gli astrociti) che costituiscono la glia, la struttura portante del cervello. I ricercatori si sono concentrati sullo studio dell’ippocampo, una regione cerebrale determinante nei processi cognitivi come memoria e apprendimento.

Le  staminali presenti in questa area formano sia nuovi neuroni sia nuove cellule della glia, un equilibrio che garantisce il corretto funzionamento dell’ippocampo. La ricerca ha anche evidenziato come l’attività del gene Coup-Tfi risultasse ridotta “nelle staminali adulte in presenza di neuroinfiammazione”, spiega Sara Bonzano, e che ripristinandone la funzione si è tornati alla normalità.

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Numerosi studi hanno già dimostrato gli effetti benefici dell’esercizio fisico sulla salute: oltre a favorire la forma fisica e il dimagrimento, la pratica sportiva aumenta del 50% la produttività sul lavoro e diminuisce il rischio di sviluppare il morbo di Alzheimer. Fare attività fisica regolarmente infatti aiuta a mantenere la mente attiva, una conferma che arriva oggi anche da una ricerca pubblicata su Frontiers in Neuroscience, secondo la quale anche una semplice camminata aiuterebbe il cervello nella formazione di nuovi neuroni.

Cosa succede se viene impedito il movimento?

Per arrivare a queste conclusioni gli scienziati hanno studiato il comportamento di un gruppo di cavie da laboratorio per 28 giorni, nutrendole regolarmente, ma impedendo ad alcune di camminare liberamente. Una volta concluso il test di quattro settimane, tramite una risonanza magnetica nella zona subventricolare del cervello è stata riscontrata una riduzione del 70% del numero di cellule staminali neurali,  da cui si generano i neuroni, nelle cavie immobilizzate rispetto a quelle lasciate libere di muoversi.

Lo studio ha inoltre rilevato che impedire l’attività fisica porterebbe a una modifica dell’organismo a livello genetico, che influisce negativamente sulla trasformazione di alcune proteine. Fare troppa attività fisica invece sarebbe nocivo per il nostro cuore quanto la sedentarietà.

E’ stato quindi evidenziato un nuovo aspetto che può interessare chi soffre di malattie che compromettono il movimento, come la sclerosi multipla o l’atrofia muscolare spinale, una disfunzione del sistema neurologico che comporta difficoltà legate alla capacità motoria.

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Contrariamente a quanto si pensava fino a questo momento, il cervello delle persone anziane non invecchia: se sano, continua a rigenerarsi proprio come nei giovani, grazie alla produzione di neuroni nuovi. A dimostrarlo è lo studio della Columbia University coordinato da Maura Boldrini e pubblicato sulla rivista Cell Stem Cell.

Migliaia di nuovi neuroni

«Il nostro cervello continua a produrre nuovi neuroni per tutta la vita, e questa è una capacità unica dell’uomo, assente nei roditori e nei primati», ha spiegato la studiosa italiana all’ANSA. Finora si riteneva che il cervello adulto non avesse la capacità di creare nuovi neuroni, ma ora è stato dimostrato il contrario. La ricerca ha osservato che gli anziani sono cognitivamente più capaci di quanto si credesse e possono produrre migliaia di nuovi neuroni; nel loro cervello il volume della struttura che controlla le emozioni, chiamata ippocampo, equivale a quello di un cervello giovane. L’unica differenza è la vascolarizzazione, meno diffusa nel cervello delle persone anziane.

Meno vasi sanguigni e proteine

«I nuovi neuroni nell’ippocampo sono necessari per la memoria e per la risposta emotiva allo stress»., ha spiegato la ricercatrice. Il fatto che anche negli anziani continuino a rigenerarsi significa «che con uno stile di vita sano, un ambiente stimolante, interazioni sociali ed esercizio, possiamo mantenere sani e funzionanti i nostri neuroni, e contribuire ad un invecchiamento sano».

Lo studio si basa sull’osservazione dal tessuto cerebrale di 28 individui morti improvvisamente in età comprese fra 14 e 79 anni. Mentre le cellule progenitrici dei neuroni e i neuroni immaturi sono presenti in modo simile nel cervello di giovani e anziani, le differenze sono invece nei vasi sanguigni e nella minor quantità della proteina che regola la plasticità dell’ippocampo, chiamata Psa-Ncam. Ecco perché gli studiosi stanno ipotizzando che siano questi due fattori a determinare la minore capacità di recupero che caratterizza la senilità.

Alcuni studi hanno evidenziato che i lavori intellettuali rallenterebbero l’invecchiamento cerebrale, perché l’allenamento continuo della memoria fa bene al cervello. L’età infatti porta naturalmente ad una maggiore lentezza nell’eleborare l’enorme mole di informazioni che le persone anziane possiedono.

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Al momento solo i supercomputer possono competere con il cervello umano in quanto a potenza di calcolo grazie ad 80 miliardi di neuroni e oltre 100 trilioni di sinapsi che gestiscono e smistano i segnali provenienti dai sensi. Gli scienziati che si occupano di intelligenza artificiale stanno tentando di insegnare alle macchine a pensare come noi ma se ci fosse una piattaforma hardware che riproduce la struttura del cervello sarebbe molto più semplice raggiungere l’obiettivo. Questo campo è stato battezzato neuromorphic computing e gli ultimi studi portati avanti dai ricercatori del MIT potrebbero dato il via ad una vera e propria rivoluzione.

I computer sono fatti per trasmettere e interpretare segnali lineari mentre il cervello funziona sulla base di input modulabili. Gli ingegneri dell’ateneo di Boston sono riusciti a creare le base per il primo chip neuromorfico che invece di svolgere calcoli sulla base del linguaggio binario (acceso/spento) dovrebbe “funzionare in modo analogico, scambiandosi un gradiente di segnali, o “pesi”, in modo simile ai neuroni che si attivano in vari modi a seconda del tipo e del numero di ioni che percorrono una sinapsi”. Per questo chip i ricercatori hanno pensato di sostituire il materiale amorfo posto tra le sinapsi sintetiche con del silicio monocristallino, al cui interno è stato ricavato una sorta di imbuto che permette agli ioni di muoversi in modo controllato e misurabile. “Quello che vogliamo davvero è ottenere un chip grande quanto un’unghia che possa rimpiazzare un grande supercomputer. Ci vorrà ancora del tempo, ma indubbiamente questo è il principale passo verso la realizzazione di dispositivi portatili di intelligenza artificiale”, afferma il team del MIT.

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Dimagrire velocemente? Forse sarà possibile grazie ai neuroni che controllano direttamente l’appetito, chiamati “taniciti”, e la conseguente scoperta degli alimenti favoriscono questo senso di sazietà fisiologico. I taniciti infatti producono questa sensazione quando avvertono la presenza di specifiche molecole (gli amminoacidi), in particolare due di esse (arginina e lisina), presenti soprattutto in certi cibi. In precedenza già uno studio dell’Università di Cambridge, pubblicato sulla rivista eLife, aveva fatto luce sui meccanismi alla base della fame, che spiegano come mai spesso chi segue regimi alimentari dietetici non riesce a perdere peso. Da una ricerca pubblicata su “Cell metabolism” emerge anche che per l’efficacia di una dieta dimagrante non basta ridurre il numero di calorie ingerite, ma è fondamentale considerare anche gli orari in cui vengono consumati i pasti principali. 

I taniciti e il senso di sazietà

A scoprire i neuroni che “spengono” l’appetito sono stati gli scienziati dell’università di Warwick, in una ricerca pubblicata sulla rivista Molecular Metabolism che potrebbe avere una duplice ricaduta nella lotta al sovrappeso. Scegliendo cibi ricchi di “arginina” e “lisina” (ad esempio merluzzo, albicocche, avocado, mandorle, lenticchie) sembra si possa favorire più facilmente il senso di sazietà, aprendo la strada quindi a nuove diete sviluppate sulla base di questa scoperta. Inoltre si prospetta la possibilità di attivare dall’esterno con farmaci specifici gli interruttori di sazietà presenti sui taniciti, agendo direttamente su questi per fermare la fame. Si tratta di un gruppo di neuroni situati nell’ipotalamo,quell’area del cervello implicata nel controllo del peso, del metabolismo e dell’appetito.

Verso nuove terapie “spezza-fame”

Sulla superficie dei taniciti i ricercatori hanno individuato dei recettori specifici per gli amminoacidi, i mattoncini di base delle proteine. Questi recettori sono presenti anche sulle papille gustative e consentono di sentire il gusto “umami”, un sapore caratteristico associato agli amminoacidi. Lavorando su taniciti resi fluorescenti per renderli visibili al microscopio, gli scienziati hanno scoperto che in presenza di amminoacidi, in particolare arginina e lisina, i taniciti si attivano inviando un messaggio di sazietà all’ipotalamo.

Questa ricerca apre la strada alla considerazione che consumare cibi ricchi di arginina e lisina potrebbe essere la base per nuove diete che mirano al controllo del peso, proprio grazie alla possibilità di spegnere l’appetito più rapidamente grazie a questi alimenti. In futuro i taniciti potrebbero diventare anche i diretti bersagli di nuove terapie “spezza-fame”.

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Sappiamo che il futuro del computing passa per la tecnologia quantistica. La possibilità di elaborare più operazioni in uno stesso momento permetterà alle macchine dei prossimi anni di risolvere problemi concreti nel giro di qualche secondo, a differenza del tempo necessario alle controparti odierne. Eppure, al di là della fisica dei qbit, c’è chi sta lavorando a un sistema ultrapotente attraverso un sentiero di costruzione diverso, che si pone a metà strada tra l’informatica classica e quella quantistica. Si tratta di Air Force e IBM, che hanno stretto una partnership per la realizzazione del primo computer che sa ragionare come il nostro cervello. In che senso? Grazie al nucleo centrale formato da 64 chip TrueNorth Neurosynaptic, le due compagnie collegheranno parti hardware della macchina per far si che possano agire in modalità di stimolo-risposta, proprio come fanno i neuroni degli esseri umani.

Tecnologia del futuro

Nel concreto, bastano questi chip ad animare le funzionalità del supercomputer, che di fatto no nha nemmeno bisogno di un processore convenzionale, in quanto opera su una consequenzialità che potremmo definire naturale. Certo, le dovute differenze ci sono, e queste sono date dalle 64 micro-unità che contengono già le capacità di calcolo necessarie al dispositivo. Il team congiunto, in procinto di avanzare nella progettazione, ha spiegato che la potenza finale sarà equivalente a quella di 64 milioni di neuroni umani e 16 miliardi di sinapsi con un consumo di appena 10 watt di elettricità. A cosa servirà un artefatto del genere? A farsi carico di questioni determinanti per il futuro della Terra, come i cambiamenti climatici e gli effetti dell’inaridimento su ampie zone del pianeta. L’Air Force, in questo caso, avrà un ruolo determinante nel raccogliere i dati e darli in pasto al cervello in silicio che avrà il compito di elaborarli prima che sia troppo tardi.

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Da sempre si sa che il cervello umano è dotato di una complessità strutturale incredibile, ma finora non si poteva che immaginarlo. Grazie al progetto Blue Brain, nato nel 2005 per iniziativa del Politecnico di Losanna e della Ibm, questa affascinante architettura è stata finalmente svelata in tutta la sua complessità, arrivando a scoprire come le cellule nervose interagiscono fra loro formando strutture a due dimensioni come i piani, ma anche a tre come i cubi, fino a strutture a cinque, sei e perfino 11 dimensioni. Precedenti ricerche hanno studiato il cervello durante l’attività onirica osservando per la prima volta l’impronta lasciata dai sogni e l’ultima mappatura, la più dettagliata mai realizzata, ha rivelato 100 nuove regioni.

Uno studio basato sull’algebra

Pubblicata sulla rivista Frontiers in Computational Neuroscience, la ricerca è coordinata da Henry Markram, direttore del progetto Blue Brain e ricercatore del Politecnico di Losanna, e si basa sull’applicazione allo studio dei neuroni della topologia algebrica, la branca della matematica che usa l’algebra

per studiare proprietà e struttura delle forme nello spazio. Questo strumento è stato applicato per la prima volta allo studio del cervello da Kathryn Hess, del Politecnico di Losanna, e Ran Levi, dell’università scozzese di Aberdeen.

«L’algebra topologica – ha detto Hess – è nello stesso tempo un microscopio e un telescopio: può fare uno zoom all’interno delle reti per scoprirne le strutture più nascoste, come gli alberi in una foresta, e riuscire a vedere gli spazi vuoti, come le radure».

Strutture come castelli di sabbia

Grazie a questo approccio è stato possibile arrivare a studiare il cervello umano a questa profondità dimensionale, rivelando una rete di circuiti che non si limita a intrecciarsi nell’ambito delle quattro dimensioni finora note ma può raggiungere perfino 11 dimensioni. Una conferma che è arrivata dall’osservazione sia del tessuto della corteccia cerebrale ottenuto dal progetto Blue Brain nel 2015 con una simulazione, sia di un frammento reale di tessuto cerebrale. Si è osservato così non solo il formarsi delle strutture multidimensionali si formano ma anche che il cervello si riorganizza costantemente, creando nuove strutture e poi demolendole per costruirne di nuove.

«Sono come castelli di sabbia multidimensionali, che continuamente si materializzano per disintegrarsi subito dopo», ha osservato Markram. Abbiamo scoperto – ha aggiunto – un mondo che non avremmo mai potuto immaginare» e che «esistono decine di milioni di questi oggetti anche in una porzione del cervello piccola come una briciola».

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Persino Tesla Motors e SpaceX sembrano due progetti semplici in confronto a Neuralink. Si tratta della più recente compagnia fondata da Elon Musk che si pone un obiettivo mica banale: aumentare le capacità dell’uomo sfruttando delle reti neurali artificiali da impiantare nel cervello, così da ricevere aggiornamenti software e altre funzionalità tipiche delle macchine. Il Frankenstein del futuro sarà dunque un individuo in grado di effettuare calcoli e prendere decisioni in tempi brevissimi, come i computer, grazie all’elaborazione dei dati resa possibile dai collegamenti tra i chip e le tradizionali vie di comunicazione umane, come le sinapsi tra i neuroni. Come anticipato, con una premessa del genere persino le auto senzienti e la vita su Marte sembrano banali.

Nessun rischio per l’umanità

I più attenti ricorderanno come Elon Musk sia tra i più fermi detrattori dell’intelligenza artificiale a tutti i costi, che rischia di mettere in pericolo l’uomo non solo dal punto di vista fisico ma anche etico. Quando il futuro sarà del tutto dominato dall’uso di soluzioni automatizzate, quale libertà avranno i cittadini? In che modo potranno scegliere i percorsi della loro vita anche sbagliando? Per questo, non bisogna guardare a Neuralink come un mezzo semplice per costruire l’uomo-robot del domani. Più che altro, Musk intende sperimentare nuovi percorsi di apprendimento multilivello, in cui sistemi organici e informatici possano essere integrati per migliorare la vita comune in un ecosistema informatizzato ma non privo di un’anima. Difficile solo pensarlo, figuriamoci riuscirci.

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Grazie ad una tecnica innovativa messa a punto dall’istituto americano Allen per le neuroscienze e presentata negli Stati Uniti nel convegno su Neuroscienze e nanotecnologie organizzato a Bethesda, è stato possibile scoprire il neurone della coscienza. Il test è stato effettuato sui topi con un sistema che consente di ricostruire i neuroni in 3D.

I neuroni sono come piante rampicanti

Coordinati da Christof Koch, gli scienziati hanno utilizzato questa straordinaria tecnica per capire il comportamento di tre neuroni che si trovano nell’area del cervello chiamata claustro, che da tempo si è pensato fosse legata alla coscienza. E’ stato così possibile comprendere che i neuroni si ramificano in modo analogo alle piante rampicanti, cercando di aggrapparsi continuamente a qualcosa con i nuovi germogli.

I tre neuroni allo stesso modo producono ramificazioni per collegarsi con le altre cellule nervose, ma uno soltanto di essi avvolge completamente l’organo come una ”corona di spine”, ha spiegato Koch. Tutti e tre i neuroni sembra che si colleghino alle regioni addette al controllo delle informazioni sensoriali che guidano i comportamenti.

Una raccolta di 10.000 immagini

Si tratterebbe secondo Koch della conferma che l’area del claustro potrebbe coordinare i segnali in entrata e in uscita nel cervello per determinare la coscienza. La ramificazione dei neuroni è stata osservata nel cervello dei topi di topi geneticamente modificati in modo che le loro cellule nervose producessero una proteina fluorescente. I ricercatori li hanno fotografati durante lo sviluppo ottenendo una raccolta di 10.000 immagini che hanno permesso di ricostruire lo sviluppo dei neuroni in 3D.

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Una ricerca condotta da Jesse Gomez dell’Istituto di Neuroscienze dell’università californiana di Stanford ha portato a un’incredibile scoperta che ribalta le ormai assodate teorie sullo sviluppo: nella parte del cervello specializzata nel riconoscimento dei volti si forma nuovo tessuto in grado di assolvere nuove funzioni.

Cresce un’area importante per l’uomo

“Vediamo che questo tessuto cresce realmente”, ha spiegato Gomez. La crescita è stata rilevata  in un’area considerata importante, in quanto la capacità di riconoscere i visi è fondamentale per le relazioni sociali dell’essere umano in tutte le fasi della vita.

I risultati “indicano che ci sono dei cambiamenti concreti nel tessuto cerebrale che avvengono durante lo sviluppo, ha osservato il direttore dell’Istituto di Neuroscienze di Stanford, Kalanit Grill-Spector.

La scienza ha sempre evidenziato che nell’infanzia e nell’adolescenza avviene al contrario un processo di eliminazione delle connessioni fra i neuroni (sinapsi) considerate inutili per lasciare spazio a quelle più produttive. Ora i ricercatori hanno scoperto un fenomeno inverso e lo hanno chiamato il fenomeno “proliferazione di microstrutture”, anche se non sono ancora in grado di specificare quali sia la natura delle microstrutture. Si ipotizza che si tratti di ‘ramificazioni’ dei neuroni, strutture chiamate dendriti che possono essere organizzate in modi diversi.

Uno studio con importanti implicazioni

Lo studio ha osservato il cervello in attività in 22 bambini e 25 adulti con una tecnica non invasiva, la Risonanza magnetica nucleare. I risultati hanno provato che la parte del cervello deputata al riconoscimento dei visi continua a svilupparsi negli adulti, mentre per esempio non accade la stessa cosa nell’area che permette di riconoscere i luoghi, che resta immutata nel tempo.

Raffalella Tonini, esperta di Neuroscienze dell’Istituto Italiano di tecnologia (Iit) ritiene che la ricerca sia “molto interessante e importante” e segni “un notevole avanzamento” con “implicazioni nella comprensione dei meccanismi alla base dei disordini dello sviluppo che portano a disturbi come autismo e schizofrenia”.

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