Esperienze e opinioni

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Il nostro cervello è un sistema incredibilmente complesso, un vero e proprio ecosistema con regioni che, pur interagendo costantemente, mantengono ciascuna la propria specifica identità. Capire come queste regioni comunicano e come si influenzano a vicenda è la sfida centrale della neuroingegneria, una disciplina che sta rivoluzionando lo studio del sistema nervoso e delle sue patologie, come l'Alzheimer, il Parkinson e la SLA.

A spiegarlo, lo scorso novembre 2025 nel corso di uno dei convegni del Festival della Scienza di Genova, Martina Brofiga e Paolo Massobrio, bioingegneri dell'Università degli Studi di Genova, impegnati in un progetto di ricerca finanziato, attraverso il PNRR, dal consorzio Mnesys, Multiscale integrated approach to the study of the nervous system in health and disease.

Molti, infatti, credono che lo studio del cervello sia dominio esclusivo della medicina o della biologia, ma in realtà una parte fondamentale degli studi viene svolta nelle cosiddette scienze hardware, comprese la matematica, la fisica e l'ingegneria. Per Paolo Massobrio, professore di Bioelettronica e Neuroscienze computazionali, il cervello è un'entità di una complessità sconcertante e la navigazione al suo interno è come entrare “in una foresta fitta di ramificazioni e interconnessioni tra cellule fondamentali chiamate neuroni”.

Basti pensare che parliamo di circa 86 bilioni (=miliardi) di neuroni e ben 100 trilioni (migliaia di miliardi) di connessioni attraverso le sinapsi, ovvero le strutture che consentono ai neuroni di "parlarsi" tra di loro, e che sono fino a 10 mila unità per neurone. La funzione fondamentale del cervello, quindi, è la "computazione", intesa come la capacità di ricevere input e codificarli in output motori o cognitivi, come riflettere o scappare se il discorso è noioso, e l’ingegnere, con un approccio “riduzionista”, mira a semplificare questo sistema.

"L'approccio che noi tendiamo ad utilizzare  è da bioingegnere", spiega Massobrip, "da qualcuno che prova a interagire col sistema nervoso", con l’obiettivo di conoscerlo meglio. Per affrontare questa enorme complessità, l'approccio scientifico si sposta dal cervello nella sua interezza a modelli ridotti, che possono essere in vitro o modelli computazionali, con l'idea di trattare ogni regione cerebrale, come la corteccia o l'ippocampo, come un "mattoncino Lego" che può essere assemblato per costruire un modello semplificato. Il punto di partenza è: “Ammettere che stiamo lavorando su un sistema molto complesso", spiega Bofriga, "e per capire come sia possibile ogni giorno fare quello che facciamo utilizziamo differenti approcci che riducono la complessità".

I modelli in vitro, chiamati anche "cervelli in provetta" o, più tecnicamente, modelli brain-on-a-chip, utilizzano neuroni veri, sinapsi e reti neurali biologiche, messe su un trasduttore, che permette un controllo maggiore e una migliore osservazione. Questi modelli possono essere composti da neuroni prelevati da ratti o topi, ma grazie alle nuove tecniche, è possibile utilizzare anche neuroni umani generati da cellule donate da pazienti, che mantengono le caratteristiche specifiche del donatore. Questi modelli ridotti sono essenziali perché permettono di isolare specifiche interazioni tra le zone del cervello con funzioni specifiche (corteccia, ippocampo, talamo, striato) utilizzando dispositivi che permettono di assemblare pezzi di corteccia con pezzi di ippocampo. Questi sistemi utilizzano matrici di microelettrodi (MEA) per registrare l'attività elettrofisiologica, cioè la trasmissione di informazione tra i neuroni.

Un aspetto cruciale dell'ingegneria è il controllo della connettività: per assicurarsi che i neuroni corticali comunichino solo con quelli talamici, per esempio, si utilizzano microcanali che guidano le ramificazioni dei neuroni e possono essere strutturati in modo tale da creare una direzionalità forzata nella comunicazione. In questo modo, la complessità viene ridotta e non si analizzano piú 86 milioni di neuroni ma magari 75.000, tutti caratterizzati da una struttura e una funzione specifica.

Nonostante la riduzione della complessità, però i neuroni mantengono caratteristiche fisiologiche e funzionali specifiche; la corteccia ha un'attività ad alta frequenza, mentre il talamo ha un'attività più "tonica" e distanziata. La ricerca ha dimostrato che, anche in modelli più complessi come il circuito cortico-striatale (che coinvolge corteccia, talamo e striato), i neuroni, se lasciati liberi, mantengono la stessa direzionalità di comunicazione osservata in vivo: “E abbiamo osservato che neuroni", sottolinea Bofriga, "sanno esattamente cosa devono fare".

Infine, un elemento essenziale nella riproduzione del cervello è la tridimensionalità, che genera una complessità enorme non replicabile su semplici "piastrelle" bidimensionali. Sono state sviluppate tecniche che permettono alle cellule di auto-organizzarsi in strutture tridimensionali, ricreando circuiti specifici come quello tra corteccia e ippocampo, importante nello studio dell'epilessia. L'importanza di questi modelli risiede nella loro capacità di agire da banco di prova per lo studio di nuove molecole.

I modelli bidimensionali usati in passato offrivano solo informazioni sulla tossicità dei farmaci prima di passare ai test sugli animali, spesso con risultati opposti a quelli sperati, causando perdite di tempo e denaro. L'idea è di utilizzare modelli più realistici e affini alla condizione in vivo per testare meglio i farmaci, potendo anche utilizzare nanovettori per veicolare selettivamente il farmaco in zone specifiche e studiare gli effetti diretti e indiretti sulle diverse popolazioni neurali. Questi modelli ridotti e controllati stanno già aiutando a comprendere come alcune malattie possano alterare l'attività corticale, aprendo la strada alla ricerca di nuovi meccanismi patologici.