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Un gigantesco neurone all'origine della coscienza

La ricerca, avvenuta nei topi, è stata resa possibile grazie alla tecnica per la ricostruzione dei neuroni in 3D
un gigantesco neurone all origine della coscienza
Massimo Canorro Massimo Canorro Giornalista & web content editor

Come una “corona di spine”, oppure una pianta rampicante che estende le proprie propaggini alla ricerca di qualcosa a cui aggrapparsi, i neuroni del cervello hanno proiezioni in grado di collegarsi con altri neuroni in tutto l’organo. Affascinante? Certo, ma non solo, poiché una nuova metodologia di ricostruzione in 3D – messa a punto da un team di neuroscienziati dell’Allen Institute for Brain Science di Seattle e presentata nell’ambito del convegno “Neuroscienze e nanotecnologie” organizzato a Bethesda, nel Maryland – ha permesso di guardare oltre, scoprendo all’interno del cervello di topo tre neuroni di eccezionale lunghezza, uno dei quali ne percorre l’intera circonferenza, collegando aree cerebrali diverse. Il piccolo, sottile strato di cellule da cui si diramano, denominato “claustrum”, potrebbe essere la sede della coscienza nei topi e negli esseri umani.

La ricostruzione dei neuroni in 3D

Coordinati dal neuroscienziato Christof Koch, presidente dell’Allen Institute for Brain Science e noto per il suo lavoro sulle basi neurali della coscienza, i ricercatori hanno ingegnerizzato una linea di topi in modo che un certo farmaco attivasse specifici geni all’interno dei neuroni del “claustrum”.
Nel momento in cui i ricercatori hanno somministrato ai topi una piccola quantità di farmaco, soltanto una manciata di neuroni ne hanno ricevuto abbastanza da attivare questi geni. Ciò ha determinato la produzione di una proteina fluorescente verde che si è diffusa in tutto il neurone; mentre i neuroni si sviluppavano, i ricercatori li hanno fotografati fino a collezionare 10.000 immagini di sezioni trasversali del cervello di topo che, analizzate da un software, hanno consentito la ricostruzione dei neuroni in 3D.

I tre neuroni si prolungano in entrambi gli emisferi del cervello e uno dei tre percorre tutta la circonferenza dell’organo (al pari, appunto, di una “corona di spine”). Occorre ricordare che l’organismo del topo contiene altri neuroni lunghi, come le proiezioni nervose nelle zampe e i neuroni del tronco cerebrale che arrivano al cervello per rilasciare molecole di segnalazione. Ma i neuroni del “claustrum” – regione del cervello favorevole alla sperimentazione della nuova tecnica poiché è stato ampiamente studiato nei topi e consiste in pochi tipi di cellule – sembrano connettersi alla maggior parte oppure a tutte le parti esterne del cervello che acquisiscono informazioni sensoriali e dirigono il comportamento.

Confessioni di uno scienziato romantico

Autore dell’affascinante saggio “Una coscienza. Confessioni di uno scienziato romantico”, vero e proprio sguardo d’insieme in merito alle più recenti scoperte in ambito neuroscientifico – tra visioni del mondo naturale e sue memorie personali – Koch (che della coscienza è uno dei massimi studiosi al mondo) prevede di proseguire la mappatura dei neuroni che hanno origine dal “claustrum”, seppur la tecnica è costosa per essere utilizzata nell’ambito della ricostruzione di tutti questi neuroni su larga scala.

Il punto di vista
Neurologia

Nel 2014, l’equipe del dottor M. Koubeissi della George Washington University studiando  il caso di una paziente epilettica di 54 anni aveva individuato nel claustro, una regione del cervello, la sede della coscienza. Questo caso ha dato un importante impulso a Christof Koch dell’Allen Institute for Brain Science, da tempo  convinto che la coscienza sia appunto ospitata nel claustro umano e murino.

Il claustro è una sottile lamina di sostanza grigia situata nella corteccia dell'insula, in continuità anteriormente con l'amigdala ed addossata alla corteccia insulare, dalla quale è separata soltanto per l'interposizione della capsula estrema; medialmente, la capsula esterna lo separa invece dal putamen. Il claustro ha connessioni con la neocortex ed è  coinvolto nell'elaborazione di informazioni visive. Una sua peculiarità è rappresentata dalla scarsità di cellulari a differenza di altre parti del cervello. Sono stati infatti identificati tre tipi principali di cellule neuronali. Il primo è grande e ricoperto di spine dendritiche mentre gli  altri due tipi non presentano spine. In un recentissimo report apparso sulla prestigiosa rivista Nature, Koch ha mostrato alcune prove che confermerebbero la sua ipotesi.

La coscienza, ovvero la consapevolezza di noi, dell'ambiente circostante e la nostra capacità di interagire con esso, di scegliere con giudizio, e non in maniera istintiva, sarebbe guidata da un unico grande neurone che avvolge il cervello come "una corona di spine". In occasione del convegno su Neuroscienze e Nanotecnologie, organizzato a Bethseda nel Maryland, è stato illustrato un modello 3D del cervello dei topi e l'attenzione si è concentrata soprattutto su questi tre neuroni.  Studiando il cervello dei topi, lo scienziato ha scoperto tre neuroni giganti che si trovano appunto nel claustro e che collegano molte regioni di entrambi gli emisferi del cervello. Uno di questi neuroni avvolge l’intero cervello, ha detto Koch, «come una corona di spine» e, secondo lui, potrebbe avere la funzione di coordinare i segnali provenienti dalle varie zone del cervello per dare forma alla coscienza.

La scoperta di questi neuroni è rimasta nascosta per lungo tempo a causa delle tecniche ancora rudimentali della diagnostica per immagini. Koch ha sviluppato invece un metodo grazie al quale è riuscito ad attivare solo i neuroni presenti nel claustro attraverso l’uso di un farmaco.

claustro

 

Sezione trasversale dell'encefalo. Il claustro è indicato dalla freccia

Come rappresentato nel modello 3d, ottenuto fotografando il cervello di topi geneticamente modificati nutriti con un farmaco che rendeva verde fluorescente solo questa specifica area, nelle varie fasi di sviluppo e crescita (oltre 10000 foto elaborate poi da uno specifico software), 3 sono i neuroni in particolare che si ramificano come piante rampicanti di edera, con tanto di "germogli" che si aggrappano alle cellule nervose. Soltanto uno avvolge l'intera circonferenza del cervello apparendo come una sorta di "corona di spine".

I limiti della ricerca sono numerosi. Quella del claustro resta, secondo l'opinione di molti scienziati, ancora un'ipotesi. Il modello animale non può spiegare la complessità della coscienza umana. Ma una delle parti interessanti della ricerca riguarda sicuramente la straordinaria possibilità di illustrare con tecniche innovative ed utili per futuri studi, l'enorme complessità del cervello. Tracciare tutti i rami di un neurone con metodi convenzionali è un compito difficile. I ricercatori iniettano un colorante nelle singole cellule, affettano il cervello in sezioni sottili e quindi ricostruiscono a mano il percorso del neurone colorato. E sono pochissimi coloro che sono stati in grado di tracciare un neurone per tutto l'organo. Questo nuovo metodo è meno invasivo e scalabile, e fa risparmiare tempo e fatica.
Koch e colleghi hanno ingegnerizzato una linea di topi in modo che un certo farmaco attivasse specifici geni nei neuroni del claustrum. Quando i ricercatori hanno somministrato ai topi una piccola quantità di farmaco, solo una manciata di neuroni ne hanno ricevuto abbastanza da attivare questi geni. Ciò ha portato alla produzione di una proteina fluorescente verde che si è diffusa in tutto il neurone. Il gruppo ha poi raccolto 10.000 immagini di sezioni trasversali del cervello di topo e ha utilizzato un programma per computer per creare una ricostruzione 3D di soli tre cellule fluorescenti. L'organismo del topo contiene altri neuroni lunghi, come le proiezioni nervose nelle zampe e i neuroni del tronco cerebrale che arrivano al cervello per rilasciare molecole di segnalazione. Ma i neuroni del claustrum sembrano connettersi alla maggior parte o a tutte le parti esterne del cervello che raccolgono informazioni sensoriali e dirigono il comportamento.
Koch considera questo come la prova che il claustrum potrebbe coordinare input e output del cervello per creare la coscienza. Le scansioni del cervello hanno dimostrato che il claustrum umano è una delle aree più densamente connesse del cervello, ma quelle immagini non mostrano il percorso dei singoli neuroni.
Lo  scienziato non ritiene che l'esistenza di neuroni che circondano il cervello dimostri definitivamente che il claustrum è coinvolto nella coscienza, ma dice che la tecnica sarà utile ai progetti di censimento dei diversi tipi di cellule nel cervello. “È come cercare di decifrare il linguaggio senza capire che cos'è l'alfabeto," sottolinea.

Koch prevede di continuare la mappatura dei neuroni che hanno origine dal claustrum, anche se la tecnica è troppo costosa per essere utilizzata per ricostruire tutti questi neuroni su larga scala. Vorrebbe scoprire se tutti i neuroni della regione si estendono in tutto il cervello, oppure se ogni neurone è unico e si proietta in una zona leggermente diversa.

Non si può pensare che il «problema della coscienza» venga così dichiarato risolto, ma certamente la scoperta di Koch è attualmente la più avanzata in merito alla sua sede fisica.

15/03/2017
13/03/2017
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