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Neuroscienze

L’ambizioso Human Brain Project riprende: un motore di ricerca per il cervello da 1 miliardo di euro

Scritto da Francesca Albano

Il cervello umano è più piccolo di quanto ci si possa aspettare: al Jülich Research Center, in Germania, è possibile sorreggere in una sola mano, ancora gocciolante di formaldeide, uno dei tanti cervelli presenti in laboratorio. Presto, questo organo gommoso sarà congelato, rivestito di colla e quindi tagliato in diverse migliaia di schegge sottili, ciascuna con uno spessore di soli 60 micrometri, non appena diventerà solido.

Un apparato personalizzato scansionerà quelle sezioni usando la luce 3D polarizzata (3D-PLI) per misurare l’orientamento spaziale delle fibre nervose a livello micrometrico. Successivamente, le scansioni saranno raccolte in una colorata ricostruzione digitale 3D che descrive la direzione delle singole fibre nervose su scale più grandi: circa 40 gigabyte di dati per una singola fetta e fino a pochi petabyte per l’intero cervello.

I neuroscienziati sperano che combinando ed esplorando i dati raccolti con questo ed altri nuovi strumenti, saranno in grado di rispondere a domande fondamentali sul cervello. La ricerca è una delle ultime frontiere – e una delle più grandi sfide – nella scienza.

Ma di cosa parliamo esattamente?

Immaginiamo per un attimo di essere in grado di esplorare il cervello nel modo in cui si esplora un sito web. Si potrebbe cercare il corpo calloso – il gambo che collega i due emisferi del cervello – e poi sfogliare le singole fibre nervose. Successivamente, è possibile visualizzare le reti di celle mentre si illuminano durante un test di memoria verbale o scorrere attraverso i recettori proteici incorporati nel tessuto.

Cervello umano congelato, nel laboratorio di Katrin Amunts presso il Centro di ricerca di Jülich, in Germania, sarà suddiviso in sezioni, quindi scansionato sotto luce polarizzata.

In questo momento, i neuroscienziati non possono farlo. Manca l’hardware per archiviare e accedere alla valanga di dati cerebrali prodotti in tutto il mondo. Non hanno il software per colmare le lacune da geni, molecole e cellule verso reti, connettività e comportamenti umani.

Prof. Dr. Paolo Carloni

Non abbiamo la più pallida idea delle basi molecolari per malattie come l’Alzheimer o la schizofrenia o altre. Ecco perché non ci sono cure.

– afferma Paolo Carloni, direttore dell’Istituto di biomedicina computazionale di Jülich.

Per fare una grande differenza, dobbiamo sezionare il cervello in piccoli pezzi e ricostruirlo di nuovo.

Ecco perché non c’è altra scelta che passare da indagini su piccola scala a grandi sforzi di collaborazione.

Il cervello è troppo complesso per sedersi nel tuo ufficio e risolverlo da solo.

– dice la neuroscienziata Katrin Amunts, che ha fondato il progetto 3D-PLI a Jülich.

I neuroscienziati devono fare la stessa transizione che hanno fatto un tempo i fisici e i genetisti – dai solitari ai consorzi – e questa trasformazione non sarà facile. Il progetto “genoma umano”, ad esempio, era uno sforzo internazionale che culminava in un genoma umano pieno e ricercabile: tutte le pagine del manuale per creare un corpo umano. Lungo la strada, il progetto ha aperto le porte a tecnologie che sono state utilizzate per sequenziare i genomi di innumerevoli specie. Oggi, la genetica è praticamente sinonimo di “bioinformatica”.

I neuroscienziati potrebbero fare lo stesso: impiegare l’informatica per creare un manuale ricercabile per il cervello?

Questo è il piano del progetto Human Brain, finanziato nel 2013 dalla Commissione europea per un importo di 1 miliardo di euro. Dopo un inizio roccioso e controverso, l’HBC sta ora costruendo un’infrastruttura che include calcolo ad alte prestazioni, analisi dei dati e software di simulazione e modellazione. Con questi strumenti, i postdoc in Cina e Massachusetts potrebbero analizzare e collaborare sugli stessi dati ad alta risoluzione.

Venire con qualcosa di prematuro, venderlo in grande, e fare in modo che le persone visitino il sito web e rimanere delusi è l’ultima cosa che possiamo fare ora.

– afferma Eickhoff.

Henry Markram

Il neuroscienziato Henry Markram, che ha anche fondato lo Swiss Blue Brain Project per simulare una parte del cervello dei topi nel 2005, ha presentato per la prima volta la sua visione del progetto Human Brain in un TED talk 2009. Il suo piano era di simulare le centinaia di trilioni di sinapsi di un cervello umano su un supercomputer entro 10 anni.

Non appena l’HBP (Human Brain Project) è stato finanziato, però, le cose sono andate male. Alcuni scienziati hanno deriso l’aspirazione come troppo utopica e troppo complessa e diversi laboratori hanno rifiutato di aderire all’HBP. Oggi i ricercatori dell’HBP stanno lavorando duramente per dimostrare la fattibilità e l’importanza di questo progetto. Ma l’HBP è unico nel suo focus sull’informatica.

I team focalizzati su queste aree prevedono di fornire software ai ricercatori per accedere, condividere e analizzare molti tipi di dati del cervello. Per esempio, proprio come i ricercatori oncologici raccolgono i genomi di centinaia di pazienti (grazie al Human Genome Project) e poi li analizzano per rilevare anomalie genetiche in un certo tipo di tumore, i neuroscienziati potrebbero raccogliere e confrontare scansioni cerebrali da dozzine di laboratori per rilevare problemi di una rara forma di epilessiaUn obiettivo centrale dell’HBP è di consentire ai ricercatori di combinare diversi set di dati nella speranza di rispondere a domande chiave sul cervello.

Le sfide del momento

Il team di Eickhoff ha creato un atlante del cervello basato non su vecchi disegni ma su dati di imaging: scansioni anatomiche, profili di connettività di diverse aree del cervello e risultati di esperimenti comportamentali durante la scansione.

Età e memoria: l’ippocampo svolge un ruolo importante nella memoria ed è una delle regioni cerebrali più colpite dalla demenza senile. Nuovi metodi di imaging mostrano che la struttura interna di questa regione differisce da quella dei giovani adulti [centro] e degli anziani [a destra].

Non è solo la raccolta di nuovi tipi di dati che consentiranno tali perfezionamenti ma anche la raccolta di set di dati esistenti che sono ora incompatibili. “I dati ci sono, ma tocca a noi curarli“, dice Dickscheid.

Inoltre, lui e i suoi colleghi stanno sviluppando un atlante multilivello del cervello umano, un “cervello di Google“, per così dire. Gli utenti saranno in grado di eseguire lo zoom in avanti o indietro su qualsiasi particolare area del cervello, dalle pieghe della materia grigia esterna del cervello ai percorsi elettrificati dei singoli neuroni e viceversa.

Ricostruzione 3D: i dati della luce polarizzata del cervello vengono riuniti da un computer per produrre un’immagine 3D dei tratti di fibre neuronali (mostrati qui come tubi).

Tra le sfide tecniche nello sviluppo di tale strumento c’è quella di ancorare spazialmente i dati tra le scale. Se si sta studiando l’amigdala, una struttura sepolta in profondità nel lobo temporale pensato per elaborare le emozioni, con tale ancoraggio, sarà possibile eseguire lo zoom dal profilo a mandorla dell’amigdala (basato sui dati della risonanza magnetica) alla scala micrometrica dei singoli neuroni (prodotta mediante microscopia a fluorescenza a due fotoni).

Per ora la più grande spinta nello sviluppo dell’Atlante è la classificazione e l’indicizzazione dei dati. Ovviamente è necessario risolvere questo tipo di problemi prima di poter creare un autorevole atlante del cervello.

I sistemi di simulazione cerebrale dell’HBP sono inoltre dotati di strumenti per estendere i livelli del cervello.

Carloni guida un gruppo di simulazione molecolare che tenta di simulare eventi molecolari a livello di due neuroni comunicanti, come le interazioni proteiche che si verificano quando si forma una memoria. Dall’altra parte dello spettro di simulazione, Markus Diesmann e un consorzio internazionale stanno lavorando per migliorare il Neural Simulation Tool (NEST), che Diesmann e Marc-Oliver Gewaltig hanno creato nel 1994, quando erano studenti universitari, per modelli matematici su scala cerebrale.

La simulazione del cervello potrebbe aprire territori inimmaginabili sia nelle neuroscienze che nell’informatica. Ad esempio, un cervello umano e un cervello di topo sono costituiti da blocchi costruttivi simili: un piccolo pezzo di tessuto sembra più o meno lo stesso al microscopio. Ma il cervello umano ha facilmente 1.000 volte più neuroni.

Immaginate cosa potrebbe fare un sistema simile a un cervello che è 10 volte più grande di un cervello umano! 

Electronic Brain: il supercomputer JuQueen è attualmente il cavallo di battaglia del Jülich Research Center. In futuro, gli scienziati del cervello saranno in grado di lavorare in tempo reale, utilizzando macchine più avanzate; questo dovrebbe portare a un cervello virtuale ma biologicamente realistico.

Cosa aspettarsi?

I tester pilota stanno lavorando su quattro dei sottoprogetti nell’HBP per garantire che i nuovi strumenti siano quelli che i neuroscienziati vorranno effettivamente utilizzare. Il team di neurorobotica, guidato da Knoll, sta lavorando per sviluppare un ambiente di simulazione basato su cloud in cui i ricercatori possano programmare e controllare robot virtuali con sistemi nervosi modellati sul cervello.

Prof. Dr. Alois Knoll

 Essenzialmente, stiamo virtualizzando la ricerca sulla robotica.

– afferma Knoll sperando che tali strumenti accelereranno lo sviluppo di nuovi robot con “ordini di grandezza”.

A marzo 2016, l’HBP ha reso disponibili online sei prototipi dei loro sistemi di strumenti. Alcuni scienziati non vedono l’ora di poterli utilizzare:

Il nostro lavoro si svolgerà tranquillamente su una delle loro piattaforme

– afferma Kennedy, che attualmente non è coinvolto nell’HBP.

Altri stanno riservando un giudizio. Le persone hanno cercato  di sviluppare risorse (a volte fallendo), per archiviare e condividere dati nelle neuroscienze molte volte, dice Alexandre Pouget, neuroscienziato computazionale dell’Università di Ginevra. L’HBP dovrebbe terminare nel 2023, 10 anni dopo l’inizio.

Non pensiamo che la ricerca sul cervello sarà finita quando l’Human Brain Project finirà

– dice Knoll con una risata.

Amunts, Knoll e altri sperano che il progetto abbia una vita dopo la morte: la direzione scientifica del progetto ha presentato una domanda per rendere l’HBP un’entità legale indipendente, in grado di raccogliere fondi da sola.

Se ciò dovesse accadere, l’HBP potrebbe diventare un punto nevralgico per la ricerca avanzata sulle neuroscienze: un CERN per il cervello. Forse allora, come la scoperta del bosone di Higgs o la creazione dell’antimateria, si inizieranno a fare scoperte a lungo attese su noi stessi.
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Informazioni autore

Francesca Albano

Autrice, redattrice e responsabile del progetto.
Nasco come autrice, per poi occuparmi della redazione di articoli di altri autori e collaboratori esterni. Gestisco il team e sono in continua crescita e formazione professionale. Mi occupo anche di gestione dei Social Media e di collaborazioni esterne con altri portali biomedicali e aziende del settore.
Studio Ingegneria Biomedica presso il Politecnico di Torino e nutro una forte passione per la tecnologia e l'informatica non solo in campo medico! Credo fermamente nella divulgazione scientifica.

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