Onde cerebrali simulate da un supercomputer

L’elettroencefalogramma (ECG) è uno dei metodi più utilizzati e accurati per studiare l’attività del cervello ma ancora non è chiaro in che modo miliardi di neuroni possano attivarsi in modo da produrre le onde cerebrali rilevate dall’apparecchio. Un enorme passo in avanti per riuscire a comprenderlo è descritto in un articolo sulla rivista “Neuron” firmato da Michael W. Reinmann e colleghi dell’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) che, usando potenti supercomputer in collaborazione con l’Allen Institute for Brain Science statunitense, hanno simulato l’attività di una rete di 12.000 neuroni di topo in grado di produrre onde cerebrali molto simili a quelle che si rilevano nei roditori viventi.

Il risultato è frutto della prima fase dell’ambizioso Blue Brain Project, finanziato dalla Commissione Europea con un miliardo di euro, e destinato a realizzare un modello completo del cervello umano. In questa prima fase del progetto vengono studiati i tessuti cerebrali di topo per definire nel modo più dettagliato possibile la tipologia, le dimensioni e le caratteristiche elettriche dei neuroni.

Realizzare un modello del cervello è un processo estremamente complesso poiché bisogna integrare un numero enorme di segnali, ciascuno dei quali è frutto di un meccanismo basilare di “scarica”. I neuroni possono infatti essere immaginati come minuscole batterie, in cui si alternano continuamente un processo di carica (ripolarizzazione) e uno di scarica (depolarizzazione), grazie allo scambio di ioni attraverso appositi canali – i canali ionici – che si trovano sulla membrana cellulare.

La comunicazione tra neuroni tramite le sinapsi genera poi un comportamento collettivo che è alla base di tutte le attività della mente, dalla percezione al pensiero razionale. Dal punto di vista strettamente fisiologico, l’elettroencefalogramma non fa altro che rilevare, tramite alcuni elettrodi posti sullo scalpo, l’effetto cumulativo dell’attività neuronale, che si presenta sotto forma di onde.

Nella simulazione effettuata da Reinmann e colleghi sono stati usati i dati relativi al funzionamento di base e alle connessioni dei neuroni dei topi. L’elevatissima capacità di calcolo a disposizione ha permesso di mostrare che l’insieme di un elevato numero di neuroni, circa 12.000 per ora, produce effetti cumulativi che dal punto di vista macroscopico si manifestano in forma di onde, del tutto simili alle onde cerebrali rilevate con l’ECG in vivo sui roditori.

“È la prima volta che un modello di questa complessità viene utilizzato per studiare le proprietà di base delle onde cerebrali”, spiega Sean Hill, ricercatore dell’EPFL che ha partecipato allo studio. “Ed è anche la prima volta che si dimostra che il complesso funzionamento dei canali ionici contribuisce a determinarne la forma”.

Il fatto che i segnali elettrici del modello siano simili a quelli delle misurazioni in vivo rappresenta un grande risultato, ma i ricercatori avvertono che rimangono ancora da affrontare molte questioni prima di arrivare a un modello completo del cervello. Per esempio, la simulazione è basata sui neuroni che controllano le zampe posteriori, mentre i dato in vivo rappresentano le onde cerebrali che hanno una funzione simile ma controllano le vibrisse.