Un team di ricerca dell’Istituto Italiano di Tecnologia (Iit) in collaborazione con la New York University è riuscito per la prima volta a trasmettere un odore artificiale direttamente alle cellule nervose del bulbo olfattivo, una delle zona del cervello dove viene elaborato il senso dell’olfatto.

Questo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista internazionale Science, fornisce elementi fondamentali per la comprensione del linguaggio del cervello e apre la strada alle ricerche per il ripristino delle funzionalità di un sistema nervoso danneggiato.

Stefano Panzeri

Il team di ricerca dell’Istituto Italiano di Tecnologia guidato da Stefano Panzeri, coordinatore del Centro IIT di Neuroscienze e Scienze Cognitive di Rovereto e responsabile del laboratorio Neural Computation, mediante l’utilizzo di algoritmi di machine learning, ha sviluppato modelli matematici in grado di interpretare e tradurre la lingua delle cellule nervose legate alla percezione degli odori, riuscendo così a comprendere come il cervello elabora lo stimolo olfattivo. Questo lavoro ha di fatto creato una “stele di rosetta” per comprendere la lingua del sistema nervoso per quanto riguarda l’odore e la sua percezione.

Per gli esperimenti, svolti dal gruppo di ricerca della New York University, è stato utilizzato un odore artificiale realizzato con il modello matematico sviluppato dai ricercatori Iit che è poi stato trasmesso alle cellule nervose del bulbo olfattivo di un modello animale utilizzando tecniche di optogenetica, una metodica che permette di accendere e spegnere, tramite la applicazione di piccoli fasci luminosi sul tessuto cerebrale, i neuroni responsabili dell’analisi dell’informazione sensoriale. Tale stimolo virtuale è stato tradotto in sequenze temporali e spaziali di luce e, agendo su queste variabili, i ricercatori sono riusciti a creare una sensazione virtuale modulando i segnali olfattivi trasmessi al cervello, anche in assenza di odori reali presenti all’esterno.

In precedenza si erano solo ipotizzati i meccanismi che il cervello usa per processare l’informazione olfattiva “ascoltando” le cellule nervose. Adesso, per la prima volta, il team internazionale è stato in grado anche di “parlare” direttamente al cervello ricevendo un riscontro concreto sulla comprensione del messaggio e dimostrando così di avere capito il linguaggio del cervello.

«Il nostro team ha fornito gli strumenti matematici per decodificare il codice neurale, generando una formula matematica che spiega come il cervello combina l’attività dei neuroni del sistema olfattivo per produrre le sensazioni. Il nostro studio dimostra per la prima volta come l’alfabeto del cervello combina e organizza la sequenza temporale dell’attivazione di diversi gruppi di neuroni posizionati in diverse parti del cervello, come l’alfabeto scritto o quello musicale combinano in una sequenza temporale diverse lettere o note per generare il significato di una frase o il piacere di una canzone» spiega Panzeri.

«Fino a ora sono state utilizzate per comunicare con le cellule nervose solo porzioni dell’ alfabeto della loro lingua separatamente. In pratica si è comunicato con il cervello utilizzando solo una lettera alla volta − aggiunge Monica Moroni, ricercatrice Iit e tra gli autori principali dello studio − mentre ora abbiamo dimostrato come si fa a combinare le diverse lettere, che per noi sono l’attivazione di diversi gruppi di neuroni, per comporre nel tempo “frasi” articolate e fornendo un messaggio direttamente ai neuroni con una articolazione senza precedenti».

Questo lavoro sul breve periodo fornirà strumenti fondamentali per la ricerca nell’ambito delle neuroscienze. In particolare, il lavoro dei ricercatori Iit permetterà di aiutare a capire i malfunzionamenti del sistema nervoso “dialogando” con una parte del cervello per capire come funziona o perché non funziona, analogamente a quanto fa un dottore nel chiedere a un paziente come si sente anche se per arrivare a questo tipo di applicazioni cliniche sarà ancora necessario affinare maggiormente la gamma di “vocaboli” di questa nuova lingua per comunicare in maniere sempre più efficace. Nel più lungo periodo i risultati dello studio aprono la strada alla riparazione degli organi di senso danneggiati mediante interfacce artificiali e protesi nervose che potranno dialogare efficacemente con il cervello.

La ricerca è stata svolta nell’ambito della prestigiosa Brain Initiative finanziata dalla agenzia statunitense Nih (National Institute for Health), che promuove lo sviluppo di nuove tecnologie per comprendere i meccanismi di funzionamento dei circuiti neuronali.

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Foto in apertura: Credits Riccardo Beltramo

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