The Virtual Brain, una simulazione virtuale del cervello per svelare le origini dei disturbi
Un paradosso cognitivo è che la stessa complessità del cervello umano rende difficile teorizzare sul suo funzionamento, mediante l’uso soltanto del pensiero. I modelli al computer sono tuttavia in grado di simulare le conseguenze delle teorie, identificando problemi e formulando nuove teorie da sottoporre alla verifica della neuroscienza. Nell’ambito del progetto HBP (Human Brain Project), la simulazione del cervello su larga scala, e specificamente l’incluso Virtual Brain, consente una migliore comprensione delle comparsa delle cosiddette reti in stato di riposo. L’elettroencefalografia (EEG) e l’imaging a risonanza magnetica (MRI) mostrano che i cervelli sono attivi anche quando non sono occupati in specifiche attività. Le simulazioni del cervello spiegano queste reti ritmiche come la conseguenza spontanea dell’interazione di grandi gruppi di cellule nervose attraverso la materia bianca cerebrale. Alla ricerca di schemi emergenti In media il cervello è composto da circa 86 miliardi di cellule nervose e da 1 quadrilione di connessioni tra di loro. Le cellule nervose e le connessioni sono a loro volta composte da elementi ancora più piccoli, quali ad esempio canali ionici e spine dendritiche, con una gamma di proprietà funzionali. La simulazione del cervello che si spinge fino a questo livello richiederebbe la misurazione di tutte le impercettibili proprietà di questi componenti. Ma la potenza di elaborazione dei computer è ancora troppo limitata per effettuare questi calcoli in un periodo di tempo praticabile. Sulla piattaforma di simulazione del cervello (BSP, Brain Simulation Platform) di HBP, i team lavorano con motori di simulazione su livelli diversi di astrazione: dalla modellizzazione di volumi più piccoli a un livello elevato di dettagli fino a simulazioni più grossolane, ma tuttavia dell’intero cervello, delle dinamiche cerebrali. Una di queste ultime è The Virtual Brain, «Quindi non stiamo tentando di simulare il cervello in modo accurato, ma piuttosto di svelare gli schemi su larga scala che emergono dall’interazione di questi elementi, come quelli che appaiono in uno stormo di uccelli», dice la prof.ssa Petra Ritter, che guida il lavoro sul Virtual Brain Project e lo connette a simulatori più dettagliati sulla BSP. Dividendo l’intero cervello in aree, i ricercatori formulano delle teorie testabili dalla modellizzazione al computer. Visto che molti dettagli sono scarsamente compresi o solo vagamente specificati, essi utilizzano EEG e immaginografia del cervello fMRI per limitare i modelli. Queste simulazioni consentono al team di stimare la connettività tra le aree cerebrali producendo i cosiddetti connettomi (forze di interazione tra diverse aree cerebrali) e di prevedere quindi accuratamente l’attività del cervello. «Siamo interessati a funzioni cognitive di alto livello quali intelligenza, attività decisionale, memoria e apprendimento, per scoprire la causa delle menomazioni e definire strategie per il miglioramento», afferma la prof.ssa Ritter. Finora, oltre ad altre scoperte, il progetto ha aumentato la comprensione su: la guarigione dopo un ictus, la previsione e la caratterizzazione delle crisi epilettiche, la progressione del morbo di Alzheimer e le implicazioni funzionali dei tumori al cervello. Il Virtual Brain open source può essere liberamente scaricato e persino modificato. La speranza di un «essere umano virtuale» Le malattie neurodegenerative sono uno dei problemi più pressanti per le società moderne. Oltre al fardello individuale, con la previsione di 14 milioni di persone che saranno affette da demenza in tutta Europa nel solo 2030, entro lo stesso anno si prevede che il costo superi i 250 miliardi di euro. Inoltre, disturbi mentali quali ad esempio disturbo bipolare, schizofrenia, depressione, ansia, disturbo da stress post-traumatico, ADHD e disturbi per assunzione di alcool e droga attualmente colpiscono una persona su sei in tutta l’UE, e questa percentuale sta aumentando. Il costo di assistenza sanitaria, sicurezza sociale e ridotta occupazione/produttività è di 620 miliardi di euro all’anno. I trattamenti esistenti per queste malattie solitamente fanno affidamento su farmaci che reprimono i sintomi anziché curare il disturbo. I meccanismi alla base di questi disturbi rimangono poco chiari, ma le prove fanno sempre di più supporre l’esistenza di complesse connessioni fisiologiche sistematiche, che risultano difficili da studiare con solo metodi sperimentali. «Con la simulazione dell’intero cervello, e in futuro la simulazione di tutto il corpo, comprenderemo meglio l’intero sistema umano. Degli «esseri umani virtuali» ci consentirebbero di sviluppare interventi su misura che prendono di mira la combinazione di fattori genetici, metabolici e neuronali responsabili delle malattie del cervello», conclude la prof.ssa Ritter.
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