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Da tempo è risaputo, soprattutto fra i ricercatori, che il cervello non si può studiare come gli altri organi, e che non è neppure una sorta di "supercomputer", dato che la mente e la coscienza sono immateriali, anche se vi sono dei parallelismi con altre parti del corpo. Tuttavia, dal punto di vista prettamente anatomico, l'encefalo e gli organi ad esso associati, facenti parte del sistema nervoso centrale, sono comunque costituiti da cellule ed irrorati da vasi sanguigni arteriosi e venosi, come gli altri organi. Una nuova ricerca ha impiegato un'innovativa tecnica di mappatura del cervello per studiare più approfonditamente la miriade di differenze individuali fra le cellule del cervello o neuroni. Nonostante i significativi progressi effettuati nel campo delle neuroscienze, siamo ben lungi dal sapere che cosa faccia ogni neurone del cervello umano. Questa nuova ricerca, tuttavia, ci avvicina in qualche modo a tali conoscenze, di per sé enciclopediche. Utilizzando metodi molecolari, i ricercatori dell'Istituto Salk per gli Studi Biologici di La Jolla, in collaborazione con l'Università della California di San Diego, sono riusciti a mappare le differenze individuali fra i neuroni, ad un livello di dettaglio senza precedenti, simile a quello studiato per mezzo delle nanotecnologie. Questi risultati hanno importanti implicazioni cliniche per quanto riguarda i disturbi neuropsichiatrici, come l'autismo e la schizofrenia.

La squadra è stata guidata congiuntamente dal Dott. Joseph Ecker, direttore del Laboratorio di Analisi Genomiche dell'Istituto Salk, dalla Dott.ssa Margarita Behrens, scienziata senior dell'Istituto Salk e dal Dott. Eran Mukamel, del Dipartimento di Scienze Cognitive dell'Università della California. I loro risultati sono stati pubblicati sulla nota rivista Science. Inoltre, i primi autori dello studio sono il Dott. Chongyuan Luo, professore associato presso il Salk Institute e il Dott. Christopher Keown, studente di scienze cognitive. Il Dott. Luo ed i suoi colleghi hanno esaminato i neuroni sia del cervello di topo sia del cervello umano. In precedenza erano stati fatti altri sforzi per identificare le singole cellule cerebrali, mediante un'analisi dell'mRNA o RNA messaggero. Tuttavia, come hanno spiegato i ricercatori, l'RNA può cambiare in base a vari fattori ambientali. I metilomi del DNA, però, tendono ad essere stabili nel tempo, quindi i ricercatori hanno deciso di utilizzare queste molecole per l'identificazione dei neuroni. I metilomi del DNA sono il risultato del processo di metilazione del DNA o acido desossiribonucleico, che porta all'aggiunta di gruppi metilici alle basi di una molecola di DNA. Questo processo biochimico ha come conseguenza dei cambiamenti epigenetici. Durante i cambiamenti epigenetici, l'espressione dei geni è alterata, il che significa che essi possono essere "accesi" o "spenti", ma la sequenza genetica o codice non cambia. Questo avviene spesso a causa di numerosi fattori ambientali o interni, e dimostra che il patrimonio genetico degli organismi viventi non è un qualcosa di "rigido" e che viene sottoposto a "selezione" (vedi il "Darwinismo classico"), ma di fluido ed adattabile, ossia mutevole non in maniera "casuale".

Mappatura Del Cervello

 

I ricercatori hanno utilizzato un protocollo che ha impiegato una sequenza di metilomi a singola cellula sviluppati per lo studio, ed applicato alle cellule cerebrali della corteccia frontale di un giovane topo adulto e di un giovane umano adulto. Essi hanno applicato il protocollo di sequenziamento a un totale di 3377 neuroni di topo (generando metilomi e coprendo il 4,7% del genoma) ed a 2784 neuroni umani (coprendo il 5,7% del genoma umano). Le cellule del cervello hanno due tipi di metilazione, diversamente da altri tipi di cellule che ne hanno solo uno, ed i ricercatori hanno mappato entrambi i tipi. In totale, gli scienziati hanno catalogato i cambiamenti epigenetici in più di 6000 cellule cerebrali, l'equivalente di trilioni di basi di DNA.
Sulla base dei modelli di metilazione, i ricercatori hanno potuto raggruppare i neuroni di topo in 16 sottotipi e quelli umani in 21 sottotipi. Gli scienziati hanno anche definito nuovi sottotipi di neuroni umani. Significativamente, i ricercatori hanno scoperto che i modelli di metilazione dei neuroni inibitori erano più simili fra topi e umani rispetto a quelli delle cellule cerebrali eccitatorie. Ciò suggerisce che i neuroni inibitori sono particolarmente importanti e che ci sia stata una ragione evolutiva per preservare approssimativamente gli stessi schemi di questi neuroni. Gli autori hanno parlato con Medical News Today riguardo al significato dei loro risultati ed alle loro implicazioni cliniche, dicendo: "Il nostro studio, per la prima volta, ha esaminato la diversità neuronale negli esseri umani e nei topi, usando una piattaforma tecnica uniforme. Siamo eccitati dall'osservazione che il cervello umano mostra una maggiore diversità di tipo neuronale rispetto al cervello di topo, il che è coerente con le funzioni corticali più elaborate negli esseri umani."

"In molte malattie psichiatriche come l'autismo o la schizofrenia, i tipi esatti di cellule responsabili della malattia restano sfuggenti. La maggior parte degli studi precedenti non è stata in grado di separare i vari tipi di cellule [...] Il metodo che abbiamo sviluppato estende il livello di risoluzione alle singole cellule, consentendoci potenzialmente d'individuare i tipi di cellule che giocano un ruolo causale nelle malattie neurologiche. Il nostro studio permette di identificare le regioni specifiche del gene del sottotipo di neurone, e contribuirà quindi ad interpretare le varianti genetiche associate ai disturbi neurologici."

La principale forza della nuova ricerca è, secondo gli autori, "il vantaggio unico di rivelare come i geni vengono regolati in ciascun tipo di neurone". Questo è reso possibile dalla caratterizzazione degli epigenomi dei singoli neuroni. I ricercatori hanno anche condiviso con la rivista online MNT i loro piani concernenti la ricerca futura, dicendo: "Anche se abbiamo analizzato solo un'area del cervello nello studio in corso (corteccia frontale) siamo entusiasti di cominciare ad applicare questo metodo all'intero cervello di topo e all'intero cervello umano, sia normale sia malato."

 

Cervello E Organi Associati

 

L'età dell'esplorazione generica del corpo umano è passata da parecchio tempo, ma c'è almeno un'area ancora in gran parte inesplorata: il cervello umano. Ora, una nuova mappa dettagliata del cervello, realizzata in un altro studio dai ricercatori della School of Medicine di Washington a St. Louis, mostra il paesaggio della corteccia cerebrale, lo strato più esterno del cervello e la struttura dominante coinvolta nella percezione e nell'attenzione sensoriale, nonché in funzioni ben distinte che riguardano la lingua, l'uso degli strumenti e il pensiero astratto. Con le caratteristiche di un cervello tipico tradotte in dettagli minuziosi, la nuova mappa sarà un vantaggio per i ricercatori che studiano i disturbi cerebrali come l'autismo, la schizofrenia, la demenza e l'epilessia. Gli scienziati saranno in grado di utilizzarla per comprendere le differenze cerebrali fra i pazienti con queste malattie rispetto agli adulti che sono sani. Accelererà anche i progressi nel decifrare il funzionamento del cervello sano, spiegando ciò che ci rende unici come specie. Il lavoro è stato pubblicato il 20 luglio su Nature.

I ricercatori hanno utilizzato dati e metodi prodotti dall'Human Connectome Project, uno studio durato cinque anni e costato diversi milioni, condotto dal Dott. David Van Essen in collaborazione con un consorzio che include l'Università del Minnesota e l'Oxford University. Il progetto Human Connectome ha utilizzato una potente strumentazione di risonanza magnetica nucleare per mappare i cervelli di 1200 giovani adulti. Questo studio ha completato la ricerca Human Connectome Project, delineando con precisione le regioni del cervello in modo che le loro connessioni potessero essere mappate più accuratamente.

La nuova mappa suddivide gli emisferi cerebrali sinistro e destro in 180 aree basate sulle differenze fisiche (come lo spessore della corteccia), le distinzioni funzionali (in che modo le aree rispondono agli stimoli linguistici) e le differenze nelle connessioni fra le aree. La cartografia del cervello non è così semplice come annotare una "montagna" qui e un "fiume" laggiù, in quanto gran parte del cervello sembra superficialmente lo stesso. La mappa è più simile a quella che mostra le frontiere statali rispetto alle caratteristiche topografiche; le divisioni più importanti sono invisibili dal cielo, ma sono estremamente importanti.

Il Dott. Van Essen ha affermato: "Il cervello non è come un computer in grado di supportare qualsiasi sistema operativo e di eseguire qualsiasi software. Invece, il software, ossia come funziona il cervello, è intimamente correlato alla sua struttura, che è il suo hardware, per così dire. Se vuoi scoprire cosa può fare il cervello, devi capire com'è organizzato e cablato."

I ricercatori hanno mappato la corteccia, uno strato di tessuto neurale che avvolge il resto del cervello come un foglio di carta sgualcito. La corteccia è importante per la sensazione, l'attenzione, la memoria, la percezione, il pensiero, la lingua e la coscienza. Un neuroanatomista tedesco, Korbinian Brodmann, mappò per primo la corteccia umana nella prima decade del XX secolo. Individuò 50 regioni, incluse le aree che in seguito si sono dimostrate coinvolte nell'elaborazione visiva, linguistica e sensoriale.

Quando l'autore principale del nuovo studio, il Dott. Matthew Glasser, ha cominciato a studiare le connessioni fra le aree linguistiche del cervello quasi un secolo dopo, ha avuto rapidamente delle difficoltà con la mappa di Brodmann e come la si usa tipicamente nelle tecniche di neuroimaging. Glasser ha affermato: "Il mio lavoro iniziale sulla connettività linguistica ha coinvolto la mappatura usata da 100 anni, tentando di indovinare dove le aree di Brodmann erano in relazione alle vie sottostanti. Mi è diventato subito evidente che abbiamo bisogno di un modo migliore per mappare le aree del cervello vivente che stavamo studiando."

Per fare questa mappa, Glasser, Van Essen e colleghi hanno raccolto dati provenienti da 210 giovani adulti sani di entrambi i sessi. I ricercatori hanno combinato le misure dello spessore della corteccia e la quantità di isolamento attorno ai collegamenti neuronali, con scansioni di RMN del cervello a riposo e del cervello che eseguiva semplici compiti, come ad esempio l'ascolto di una storia. "Abbiamo finito trovando 180 aree in ogni emisfero, ma non ci aspettiamo che sia il numero finale. In alcuni casi abbiamo individuato una parte di corteccia che probabilmente potrebbe essere suddivisa, ma non potevamo confidare pienamente in questo per via dei nostri dati e delle nostre tecniche attuali. In futuro, i ricercatori che utilizzeranno metodi migliori suddivideranno quelle zone. Sono fiducioso che passeranno la prova del tempo."

Alcune di queste aree sono chiaramente coinvolte in particolari compiti, come la 55b, che si accende con quando una persona sente una storia. Altre contengono una mappa del campo visivo di una persona o sono coinvolte nel controllo del movimento. La maggior parte delle aree probabilmente non verranno mai identificate come operanti una singola funzione, perché non fanno solo una cosa ma invece coordinano le informazioni provenienti da molti diversi segnali.

Nel secolo trascorso fra la mappa di Brodmann e quella di Glasser e Van Essen, molte altre mappe della corteccia cerebrale sono state disegnate, mostrando da 50 a 200 aree diverse. I ricercatori hanno migliorato le mappe precedenti allineando il cervello ad un sistema comune di coordinate prima dell'analisi, utilizzando un algoritmo sviluppato dai colleghi della Oxford University e incorporando i dati RMN di alta qualità disponibili. I ricercatori hanno anche verificato che il loro metodo potrebbe essere applicato agli individui per produrre mappe del cervello di un diverso insieme di 210 giovani adulti sani. I risultati hanno fornito una mappa precisa con bordi insolitamente nuovi e un algoritmo in grado di individuare le aree nei singoli cervelli, anche se ogni singolo individuo è unico in termini di configurazione delle pieghe corticali e della dimensione e della forma delle aree sulla mappa corticale.

"In passato, non era sempre chiaro se i risultati di due studi di neuroimaging separati riguardassero la stessa area o meno", ha dichiarato Glasser. Utilizzando la nuova mappa e l'algoritmo di allineamento, i risultati provenienti da studi separati potrebbero essere confrontati più accuratamente. Inoltre, le mappe individuali del cervello potrebbero essere molto utili. I neurochirurghi che lavorano presso l'Università di Washington già utilizzano mappe cerebrali individuali, anche se meno dettagliate, quando si preparano per la chirurgia per evitare di danneggiare le aree più importanti, come quelle che interessano la lingua o la funzione motoria.

Le mappe cerebrali individuali potrebbero anche guidare il trattamento per malattie neurologiche o psichiatriche. Diversi tipi di demenza, per esempio, sono caratterizzati da degenerazione in diverse aree del cervello. I clinici potrebbero utilizzare le singole mappe per personalizzare il trattamento, in base alle aree colpite, o per monitorare la risposta al trattamento.

Come i vecchi cartografi del cervello, in primo luogo stanno fornendo uno strumento per gli altri studiosi per l'esplorazione e la scoperta. "Siamo stati in grado di persuadere Nature a mettere online quasi 200 pagine extra di informazioni dettagliate su ciascuna delle 180 regioni, nonché tutti gli algoritmi che abbiamo usato per allineare il cervello e creare la mappa", ha detto Van Essen. "Pensiamo che servirà meglio la comunità scientifica se tutto è approfondito, al fine di avere queste mappe sugli schermi del computer ed esplorare come i ricercatori ritengano più opportuno."

 

Neuroni

 

Ad ogni modo, non sono ancora disponibili gli strumenti scientifici per costruire una mappa completa dell'attività del più complesso chilogrammo e mezzo di materiale del mondo, ossia il cervello umano, come hanno scritto gli scienziati in un altro articolo appena pubblicato. Esso descrive le tecnologie che potrebbero essere applicate e sviluppate per il progetto Brain Activity Mapping, che mira a fare per il cervello ciò che lo Human Genome Project ha fatto per la genetica.

Pubblicato sulla rivista ACS Nano, l'articolo descrive come il progetto Brain Activity Mapping potrebbe portare ad una nuova comprensione di come funziona il cervello, ed eventualmente portare a trattamenti per la depressione clinica, l'autismo, la schizofrenia, il morbo di Parkinson e altre malattie cerebrali. Tre redattori di giornali americani, A. Paul Alivisatos, Anne M. Andrews e Paul S. Weiss, si sono uniti a Sotiris Masmanidis, Axel Scherer, Rafael Yuste ed altri diversi importanti nanoscienziati e neuroscienziati, per spiegare come il cervello umano abbia eluso il tipo di comprensione dettagliata che esiste per il cuore, i polmoni e altri organi. La ragione sta nella complessità del cervello, costituito da circa 100 miliardi di neuroni, 100 trilioni di sinapsi che collegano queste cellule in reti e 100 tipi di neurotrasmettitori che trasportano i segnali fra le sinapsi. Fino ad ora, gli scienziati hanno potuto studiare contemporaneamente l'attività di un piccolo numero di neuroni, lasciando lacune nella conoscenza di come essi interagiscono per produrre pensieri e ricordi, oppure malfunzionamenti nelle malattie cerebrali.

L'articolo descrive come i progressi della nanoscienza e della nanotecnologia nell'ultimo decennio possano portare allo sviluppo degli strumenti necessari per una maggiore comprensione del cervello a questa importante scala, ossia atomica e molecolare. Poiché le varie parti del cervello lavorano a livello di nanoscala, tali strumenti sono ideali per sondare queste parti, ma devono essere messi insieme per comprendere il pensiero, la percezione, la coscienza, la salute e le malattie, che derivano dalla messa in rete di migliaia o centinaia di migliaia di neuroni. "Speriamo che il progetto Brain Activity Mapping porti investimenti nazionali e internazionali, come avvenuto negli ultimi dieci anni in altri campi della scienza e della tecnologia, nonché persone esperte in nanoscienze e nanotecnologie per risolvere problemi importanti e impegnativi nella scienza cerebrale", hanno affermato gli scienziati e gli ingegneri. Ad ogni modo, il pensiero non è un semplice "prodotto" del cervello, come ad esempio gli ormoni da parte delle ghiandole. Come si è detto, la mente è un'entità immateriale, certamente connessa al cervello, ma operante ad un livello superiore, nonché influenzata dal Trascendente ed influenzante il Medesimo, in sostanza è strettamente connessa con l'anima e con lo Spirito.

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