Progetto Connettoma Umano: mappare il nostro cervello

Lo Human Connectome Project (Progetto Connettoma Umano) si presenta come una delle sfide più complesse e ambiziose di sempre nel campo delle neuroscienze. L’obiettivo è chiaro: creare una mappa comprensiva di tutte le connessioni del cervello umano. Alla fine del progetto i ricercatori avranno in mano decine di Terabyte di dati che costituiranno un modello estremamente preciso dell’architettura anatomica e funzionale del nostro cervello.

Gli istituti coinvolti nel progetto

Il concetto di Connettoma viene introdotto da un rivoluzionario articolo del 2005 firmato Sporn-Tononi-Kötter (1) sulla scia del recente successo del Progetto Genoma Umano. Il progetto vero e proprio però nasce nel 2009, quando il National Institute of Health (NIH) stanzia quaranta milioni di dollari da ripartire tra due consorzi di ricerca, WU-Minn-Oxford e MGH-Harvard-UCLA, dai nomi delle università più rappresentative. Gli istituti di ricerca facenti parte del progetto sono in totale dodici, tra cui uno italiano, l’università “Gabriele D’Annunzio” di Chieti. Sebbene il progetto non sia stato ancora dichiarato concluso, a fronte dei cinque anni previsti inizialmente, i dati che vengono via via ottenuti sono comunque pubblicati e sono scaricabili da chi opera nel campo per accelerare i tempi della ricerca.

Come vengono raccolti i dati?

La difficoltà dell’impresa è data non soltanto dai “numeri” del cervello (dove si stimano 90 miliardi di neuroni e 100 mila miliardi di sinapsi!) ma dalla duplice natura della mappatura, che avviene sia a livello spaziale-anatomico che fisiologico-funzionale. Le metodologie d’elezione sono tecniche di bioimaging non invasivo che integrate tra loro generano immagini complete delle connessioni tra le diverse aree cerebrali (2).

Le tecniche che vengono principalmente utilizzate sono l’EEG o Elettroencefalografia, che serve a registrare l’attività elettrica del cervello tramite elettrodi applicati sulla testa del paziente, la fMRI o Risonanza Magnetica Funzionale, che permette di osservare le zone della corteccia che si attivano in risposta a stimoli di varia natura attraverso la variazione di flusso sanguigno dovuto all’aumentata richiesta metabolica, la resting-state fMRI o Risonanza Magnetica Funzionale a riposo, che sfrutta lo stesso principio della tecnica precedente con la differenza che l’attività cerebrale viene monitorata “a riposo” per l’appunto, senza che il soggetto venga sottoposto a nessun tipo di stimolo, e infine la dMRI o Risonanza Magnetica di Diffusione, particolarmente importante perché consente di tracciare il movimento di diffusione delle molecole d’acqua lungo gli assoni dei neuroni e ricavare la loro posizione e orientamento.

Gran parte dei fondi sono stati utilizzati per modificare e implementare gli strumenti che permettono queste tecniche, ottenendo misurazioni più precise e soprattutto più efficienti, poiché l’ottimizzazione del tempo in un progetto come questo è assolutamente essenziale.

Visione coronale del cervello mediante metodologia HARDI.

Accanto alle indagini prettamente strutturali del cervello, i ricercatori hanno affiancato l’esecuzione di test comportamentali, che comprendono misurazioni dei processi cognitivi, emozionali, motori e sensoriali dei partecipanti al test. Questo per potere correlare determinate caratteristiche anatomo-fisiologiche a variabili comportamentali osservabili (5). Degna di nota è anche la scelta dei partecipanti al test: sono stati selezionati coppie di gemelli e loro fratelli provenienti da 300 diverse famiglie. Un approccio del genere è essenziale per poter elucidare il contributo rispettivo di geni e ambiente nello sviluppo finale del cervello. Ad esempio, gli scienziati sono ora in grado di riconoscere tra diverse immagini quali cervelli appartengono a gemelli e quali invece non hanno nessun legame di parentela semplicemente analizzando i giri e i solchi caratteristici della corteccia cerebrale.

Il futuro del connettoma

È facile intuire l’enorme portata che avrà sulla nostra comunità uno studio di tali dimensioni. Conoscere così dettagliatamente la struttura del cervello darà nuovi impulsi a diversi filoni di ricerca, con importanti ricadute pratiche. Verrà ad esempio studiato come il connettoma varia durante la vita di un individuo, dall’infanzia fino all’età più avanzata, oppure le differenze tra un cervello sano e uno affetto da disordini neurologici quali Alzheimer, disturbi depressivi o ansiosi. Tutto questo consentirà una maggiore accuratezza nelle diagnosi (3) e nei trattamenti di patologie a carico del cervello, oltre che una migliore comprensione delle malattie stesse.

Bibliografia

1. Sporns O, Tononi G, Kötter R (September 2005).”The human connectome: A structural description of the human brain”. PLoS Computational Biology.
2. Arthur W. Toga,Kristi A. Clark,Paul M. Thompson, David W. Shattuck, and John Darrell Van Horn. “Mapping the Human Connectome”. Neurosurgery. 2012 Jul; 71 (1):1-5.
3. Marcus Kaiser. “The potential of the human connectome as a biomarker of brain disease”. Front. Hum. Neurosci., 15 August 2013.

Collegamenti esterni

4. Immagine di copertina – physicsworld.com
5. Components of the Human Connectome Project – Behavioral Testing

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