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Un singolo 'neurone-fulcro' orchestra l'attività di un intero circuito cerebrale
L'idea di mappare il cervello non è nuova.
I ricercatori sanno da anni che la chiave per trattare, curare, e anche prevenire disturbi cerebrali come l'Alzheimer, l'epilessia, e il trauma cranico, è capire come il cervello registra, elabora, immagazzina e recupera le informazioni.
Una nuova ricerca della Università di Tel Aviv, pubblicata in PLoS Computational Biology, apporta un importante contributo agli sforzi per navigare nel cervello.
Lo studio del Prof. Eshel Ben-Jacob e del dottor Paolo Bonifazi della Facoltà di Fisica e Astronomia e della Facoltà Sagol di Neuroscienze della TAU, e del Prof. Alessandro Torcini e del Dr. Stefano Luccioli dell'Instituto dei Sistemi Complessi, sotto gli auspici del «Joint Italian-Israeli Laboratory on Integrative Network Neuroscience» della TAU, offre un preciso modello dell'organizzazione dei circuiti neuronali nello sviluppo.
In uno studio precedente sull'ippocampo di topi appena nati, il dottor Bonifazi aveva scoperto che alcuni "neuroni-fulcro" orchestrano il comportamento di interi circuiti. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno sfruttato una tecnologia all'avanguardia per riprodurre questi risultati in un modello di circuiti neuronali simulato al computer. "Se fossimo in grado di identificare il tipo cellulare dei neuroni-fulcro, potremmo tentare di riprodurli in vitro dalle cellule staminali e trapiantarli nelle circuiterie cerebrali invecchiate o danneggiate, per recuperarne la funzionalità", ha detto il dottor Bonifazi.
Dinamiche di volo e neuroni del cervello
"Immaginiamo che solo pochi aeroporti al mondo sono responsabili di tutte le dinamiche di volo del pianeta", ha detto il dottor Bonifazi. "Abbiamo scoperto che questo è il caso anche dei neuroni-fulcro nell'orchestrare la sincronizzazione dei circuiti durante lo sviluppo. Abbiamo riprodotto questi risultati in un nuovo modello al computer".
Secondo questo modello, un neurone-fulcro stimolato impatta la dinamica di un intero circuito; analogamente, un solo neurone silenziato sopprime qualsiasi attività coordinata del circuito. "Stiamo contribuendo agli sforzi per identificare i neuroni che sono più importanti per specifici circuiti neuronali", ha detto il dottor Bonifazi. "Se riusciremo ad identificare le cellule che hanno un ruolo importante nel controllo della dinamica del circuito, sapremo come comunicare con un intero circuito, come nel caso della comunicazione tra il cervello e le protesi".
Condurre l'orchestra del cervello
Nel corso della ricerca, il team ha scoperto che l'attivazione tempestiva delle cellule è fondamentale per il corretto funzionamento dei neuroni-fulcro, che, a loro volta, dirigono l'intera dinamica della rete. In altre parole, un certo numero di neuroni-fulcro lavora in modo temporalmente organizzato, secondo il quale "tutti devono essere attivi al momento giusto", secondo il dottor Bonifazi.
L'attivazione coordinata impatta l'intera rete. Alternando anche solo i tempi delle attività di un neurone, i ricercatori sono riusciti ad influenzare il funzionamento di un piccolo gruppo di neuroni, e infine di quello di tutta la rete.
"Il nostro studio si inserisce nel quadro della «teoria delle reti complesse», una disciplina emergente che esplora le tendenze e le proprietà simili tra tutti i tipi di reti - vale a dire le reti sociali, le reti biologiche, anche le centrali energetiche", ha detto il dottor Bonifazi. "Questo approccio teorico offre conoscenze fondamentali dei vari sistemi, tra cui la rete di circuiti neuronali del nostro cervello".
Parallelamente allo studio teorico, i ricercatori stanno conducendo esperimenti sui sistemi di coltura in vitro per identificare meglio le proprietà elettrofisiologiche e chimiche dei neuroni-fulcro. Il laboratorio congiunto Italia-Israele è coinvolto anche in un progetto europeo volto a collegare circuiterie neuronali biologiche ed artificiali per ripristinare le funzioni cerebrali perdute.
Fonte: American Friends of Tel Aviv University (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Riferimenti: Stefano Luccioli, Eshel Ben-Jacob, Ari Barzilai, Paolo Bonifazi, Alessandro Torcini. Clique of Functional Hubs Orchestrates Population Bursts in Developmentally Regulated Neural Networks. PLoS Computational Biology, 2014; 10 (9): e1003823 DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003823
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