Software di simulazione per la ricerca sui misteri del cervello
Il cervello è un organo altamente regolato che per funzionare correttamente si basa sulle precise interazioni tra neuroni, cellule gliali e ambiente circostante. Una componente critica ma spesso trascurata di questo ambiente è lo spazio extracellulare, la rete di microscopici spazi pieni di fluidi tra le cellule cerebrali. Questo spazio è coinvolto nel trasporto molecolare, nella comunicazione cellulare e nella somministrazione di farmaci, eppure per molti anni è rimasto poco studiato. Due recenti scoperte hanno aumentato notevolmente l’interesse per la ricerca sullo spazio extracellulare. Il primo è l’identificazione del sistema glinfatico, una via di eliminazione dei rifiuti metabolici, comprese le proteine tossiche come l’amiloide beta, implicata nella malattia di Alzheimer. Il secondo è il ruolo che lo spazio extracellulare svolge nelle crisi epilettiche e nella propagazione dei segnali molecolari.
Software di simulazione per lo studio dello spazio extracellulare
La comprensione del processo di trasporto delle macromolecole nello spazio extracellulare può aiutare a studiare le malattie neurodegenerative e i processi neurofarmacologici, in particolare la somministrazione di farmaci nel sistema nervoso centrale. Il progetto Human Brain ha fatto passi da gigante nelle neuroscienze, ma non si occupa specificamente della modellizzazione dello spazio extracellulare. Condotto con il supporto del programma di https://marie-sklodowska-curie-actions.ec.europa.eu/?etrans=it (azioni Marie Skłodowska-Curie) (MSCA), il progetto HESSP ha seguito un approccio in-silico per progredire nel campo e modellizzare il modo in cui le sostanze si diffondono nello spazio extracellulare, in particolare nell’ippocampo. La scelta è ricaduta su questa regione per la sua struttura ben definita, per la sua importanza nella verifica delle ipotesi di diffusione e per il suo coinvolgimento nella malattia di Alzheimer.
Affrontare le sfide computazionali
«Simulare il movimento di miliardi di molecole è impegnativo dal punto di vista computazionale, perciò abbiamo dovuto superare i limiti della capacità di memoria delle risorse informatiche esistenti», spiega Sergio Miguel Tomé, ricercatore MSCA. Per raggiungere tale obiettivo, il team ha sviluppato un innovativo strumento di calcolo progettato in modo ottimale per simulare la diffusione di milioni di particelle in modo efficiente. Il cosiddetto simulatore ibrido di particelle avanzate (HAPS) consente ai ricercatori di condurre esperimenti regolando le geometrie ambientali, il numero di particelle rilasciate e assegnando coefficienti di diffusione per studiare lo spazio extracellulare.
Aspetti tecnici dell’HAPS
L’HAPS è stato progettato con un’interfaccia grafica di facile utilizzo, che lo rende accessibile a ricercatori ed educatori senza competenze di programmazione. Simula la diffusione sulla base del moto browniano e, grazie a un algoritmo ottimizzato, consente di seguire il movimento delle particelle in ambienti tridimensionali. Il software calcola la posizione di ciascuna particella in punti temporali successivi. Utilizza un approccio a doppio livello, un modello computazionale per i movimenti su piccola scala e un altro per la diffusione a lungo raggio. Questo metodo consente di simulare un gran numero di particelle mantenendo un’elevata efficienza computazionale. In questo modo, l’HAPS riesce a superare le limitazioni di memoria hardware che hanno condizionato la ricerca sullo spazio extracellulare.
Ricerca e impatto educativo dell’HAPS
Il software dovrebbe avere un impatto sia sulla formazione accademica che sulla ricerca neuroscientifica. Una versione gratuita dell’HAPS sarà messa a disposizione di docenti e studenti universitari come strumento didattico per migliorare la comprensione e l’impegno in discipline come le neuroscienze, la farmacologia e la biologia computazionale. Dal punto di vista della ricerca, l’HAPS farà progredire gli studi in silico sulla diffusione nello spazio extracellulare e potrebbe essere impiegato anche nella ricerca sulla somministrazione di farmaci per le malattie neurodegenerative. «La simulazione della diffusione in luoghi anatomici complessi richiede un continuo sviluppo del software per integrare rappresentazioni più dettagliate delle strutture e dei microambienti neurali», sottolinea Tomé. Gli sforzi futuri si concentreranno sull’ottimizzazione del software e sulla sua adattabilità alle esigenze future.
Parole chiave
HESSP, HAPS, cervello, spazio extracellulare, software di simulazione, malattia neurodegenerativa, moto browniano, ippocampo