Un nuovo approccio matematico per l’analisi dei codici neurali multiplexati
Il codice neurale descrive in quale modo il cervello traduce gli stimoli esterni in schemi di attività della popolazione neurale. Esso è un modello collettivo di segnali e determina la relazione tra risposta neurale e stimolo. Nello specifico, la codifica neurale indaga il collegamento dallo stimolo alla particolare risposta neuronale, mentre la decodifica neurale fa il contrario. Le informazioni sono rappresentate e trasmesse nel cervello dall’attività elettrica condotta dai potenziali d’azione tra le cellule nervose, noti come firing neuronali o «spike firing». Il codice temporale è l’identificazione degli schemi temporali precisamente regolati nel tempo dell’attività neurale che portano la maggior parte delle informazioni sugli stimoli esterni. I ricercatori con il progetto ETIC hanno progettato nuove tecniche computazionali e ottiche per misurare con un’accuratezza e una precisione temporale molto maggiori i modelli di spike emessi dai neuroni, combinando sofisticati algoritmi di scansione e microscopia avanzata. Decifrare il codice neurale con nuovi approcci computazionali «Il nostro obiettivo a lungo termine è quello di scoprire in quale modo i circuiti all’interno del cervello codificano le informazioni relative al mondo esterno e le utilizzano per generare comportamenti appropriati», afferma il dott. Stefano Panzeri, borsista Marie Skłodowska-Curie e coordinatore del progetto di ETIC, insieme al dott. Fellin, il co-sperimentatore principale di questo progetto. Questo progetto ha contribuito allo sviluppo della tecnologia ottica per monitorare l’attività di molti neuroni. A differenza delle tecnologie precedenti, la tecnologia ETIC ha una maggiore precisione temporale e un migliore rapporto segnale-rumore (SNR, Signal-to-Noise Ratio). La progettazione di un nuovo algoritmo ha consentito ai ricercatori di analizzare i neuroni in modo più efficiente, portando a un monitoraggio più preciso della loro attività in relazione all’SNR. «Abbiamo anche dimostrato in esperimenti reali, utilizzando due tipi di microscopia fotonica del cervello vivo e funzionante, che l’implementazione pratica del nostro algoritmo migliora notevolmente l’SNR nell’imaging della popolazione per quanto riguarda i metodi di scansione standard d’avanguardia disponibili in commercio», aggiunge il dott. Panzeri. Future applicazioni terapeutiche per le malattie neuronali Il prossimo passo di questo progetto sarà quello di utilizzare sistematicamente questo nuovo strumento per osservare il cervello vivo svolgere attività cognitive e per utilizzare i nuovi dati con una risoluzione temporale più elevata e un SNR più ampio su diverse popolazioni di cellule. «Una volta scoperto il codice che i neuroni utilizzano per codificare le informazioni sensoriali, mireremo a comprendere come manipolare l’attività neurale con l’optogenetica al fine di suscitare gli schemi neurali che corrispondono a diverse percezioni, quali suoni, odori o sensazioni tattili differenti», afferma il dott. Panzeri. L’optogenetica è una tecnica specializzata che utilizza la luce per controllare l’attività elettrica delle cellule nei tessuti viventi e consente il controllo degli spike in singoli neuroni. In particolare, l’optogenetica induce schemi molto precisi di spike nel cervello. La prospettiva futura per questa tecnologia è la manipolazione del codice neurale per creare sensazioni artificiali per l’applicazione terapeutica in pazienti che hanno perso l’uso di organi sensoriali periferici, ma sono ancora dotati di una corteccia cerebrale utilizzabile per elaborare gli input provenienti dai sensi. L’applicazione efficace dell’optogenetica per suscitare sensazioni richiede l’identificazione di un nuovo quadro teorico che caratterizzi sia il modo in cui le informazioni vengono codificate in schemi di attività neurale, sia il modo in cui il cervello le interpreta al fine di evocare una sensazione. «Attualmente stiamo lavorando per sviluppare tale tecnologia matematica e stiamo esplorando il potenziale della nostra tecnologia per lo sviluppo del prodotto in un contesto commerciale», conclude il dott. Panzeri.
Parole chiave
ETIC, codice neurale, SNR, optogenetica, attività neurale