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RICERCA E CLINICA 47
Alessandro Rossi, Professore ordinario di Neurologia.
Direttore del Dipartimento di Scienze Neurologiche e Neurosensoriali, Università di Siena
ALESSANDRO ROSSI
La sfida delle neuroscienze: descrivere e decodificare l’architettura organizzativa delle connessioni neuronali
Un tema importante di cui oggi la scienza si occupa è lo studio della struttura, del com- portamento e dell’evoluzione di sistemi com- plessi come gli ecosistemi, le società, l’econo- mia globale, il cervello.
Per comprendere questi sistemi si richiede la conoscenza non solo dei componenti ele- mentari del sistema, ma anche dei modi nei quali questi componenti interagiscono e le proprietà che emergono dalle loro interazio- ni. Studi condotti per oltre un secolo dalle neuroscienze sui componenti elementari del sistema nervoso, cioè sui neuroni, hanno sve- lato le loro straordinarie caratteristiche strut- turali, 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 Caenorhabdi- tis elegans, un nematode di un millimetro di lunghezza il cui sistema nervoso è stato det- tagliatamente 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 cervel- lo 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 in- trodotto recentemente il concetto di connet- toma. In anologia ed in assonanza con il ge- noma 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 com- pleta delle connessioni non solo del cervello ma anche dei suoi sottosistemi. L’ipotesi è che
noi siamo l’architettura delle nostre connessio- ni, che è unica in ciascuno di noi e che contie- ne tutte le informazioni riguardanti la nostra identità. In altri termini, la comunità scientifica è convinta che le proprietà del cervello emer- gono dall’architettura organizzativa delle sue connessioni, cioè dal suo diagramma di ca- blaggio e non dalla proprietà dei singoli ele- menti di per sé. Infatti, come per ogni sistema complesso, anche per il cervello le leggi che regolano il comportamento globale del siste- ma non sono deducibili dall’analisi delle leggi che regolano l’attività di ciascuno dei singoli costituenti.
Quindi la grande sfida lanciata dalle neuro- scienze (formalizzata nel 2010 con un finan- ziamento iniziale di 40 milioni di dollari che il National Institute of Health ha destinato al progetto Human Connectome) è proprio quel- la di descrivere il sistema più complesso dell’u- niverso conosciuto: 100 miliardi di neuroni, 130.000 miliardi di connessioni che coprono linearmente una distanza di 160.000 Km (cir- ca quattro volte la circonferenza terrestre) e in grado di generare 1024 operazioni ogni se- condo. Si stima che il connettoma umano sia in grado di gestire 1012 gigabytes di dati. Per avere un termine di confronto, l’intero geno- ma umano gestisce meno di 5 gigabytes.
Quando avremo descritto e decodificato la complessa architettura di connessioni cerebra- li dove scorrono e interagiscono le complica- te sequenze di attività elettrica generate dai nostri neuroni, quando avremo il diagramma di cablaggio del cervello umano, cioè il suo connettoma, potremo capire come riuscia- mo a programmare un movimento, elaborare un pensiero, rievocare il passato, analizzare il presente e immaginare il futuro. Ma po- tremo 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.
Toscana Medica 1|2016