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Il primo odore artificiale percepito dalle cellule del cervello

Categorie (Bio)Informatica · Ingegneria cellulare e tissutale

Nasce dalla collaborazione tra l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) e la New York University la prima trasmissione di un odore artificiale direttamente alle cellule nervose del bulbo olfattivo, una delle zone cerebrali dove viene elaborato il senso dell’olfatto. I risultati della ricerca forniscono elementi fondamentali per lo sviluppo di protesi neurali per ripristinare il funzionamento di parti danneggiate del cervello. Lo studio è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Science il 19 giugno 2020.

Un odore artificiale realizzato con il machine learning

Il primo odore artificiale percepito dalle cellule del cervello. Credits: Riccardo Beltramo/IIT
Neuroni attivati grazie alla tecnica dell’optogenetica. Credits: Riccardo Beltramo/IIT

I modelli matematici, sviluppati attraverso l’utilizzo di algoritmi di machine learning, che hanno permesso di produrre il segnale elettrico corrispondente all’odore artificiale, sono stati messi a punto dal Centro IIT di Neuroscienze e Scienze Cognitive di Rovereto coordinato da Stefano Panzeri, responsabile del laboratorio Neural Computation. L’odore artificiale realizzato è stato poi trasmesso alle cellule nervose del bulbo olfattivo di alcuni topi di laboratorio. L’idea era quella di elaborare per via matematica un odore virtuale e trasmetterlo ad un cervello per verificare se venisse percepito come reale. Per fare questo i ricercatori si sono serviti di tecniche di optogenetica, una metodica che permette di accendere e spegnere, tramite l’applicazione di piccoli fasci luminosi sul tessuto cerebrale, i neuroni responsabili dell’analisi dell’informazione sensoriale.

Il codice di conversione del cervello

Gli autori hanno addestrato i topi a riconoscere un segnale generato dall’attivazione optogenetica dei glomeruli – strutture costituite dagli assoni dei neuroni olfattivi. I risultati hanno dimostrato che l’algoritmo permette di produrre caratteristiche neurali chiave che, una volta combinate, rappresentano una sorta di codice di come il cervello converte gli input sensoriali nella percezione di un odore.

“Il nostro team ha fornito gli strumenti matematici per decodificare il codice neurale, generando una formula matematica che spiega come il cervello combina l’attività dei neuroni del sistema olfattivo per produrre le sensazioni. Il nostro studio dimostra per la prima volta come l’alfabeto del cervello combina e organizza la sequenza temporale dell’attivazione di diversi gruppi di neuroni posizionati in diverse parti del cervello, come l’alfabeto scritto o quello musicale combinano in una sequenza temporale diverse lettere o note per generare il significato di una frase o il piacere di una canzone” spiega Stefano Panzeri.

Dialogare con il cervello

Il primo odore artificiale percepito dalle cellule del cervello. Credits: Riccardo Beltramo/IIT
Immagine dei neuroni. Credits: Riccardo Beltramo/IIT

In precedenza, si erano solo ipotizzati i meccanismi che il cervello usa per processare l’informazione olfattiva “ascoltando” le cellule nervose. Adesso, per la prima volta, il team internazionale è stato in grado anche di “parlare” direttamente al cervello ricevendo un riscontro concreto sulla comprensione del messaggio e dimostrando così di avere capito il linguaggio del cervello.

“Fino ad ora sono state utilizzate per comunicare con le cellule nervose solo porzioni dell’alfabeto della loro lingua separatamente. In pratica si è comunicato con il cervello utilizzando solo una lettera alla volta” aggiunge Monica Moroni, ricercatrice IIT e tra gli autori principali dello studio, “mentre ora abbiamo dimostrato come si fa a combinare le diverse lettere, che per noi sono l’attivazione di diversi gruppi di neuroni, per comporre nel tempo “frasi” articolate e fornendo un messaggio direttamente ai neuroni con una articolazione senza precedenti” conclude Moroni.

Le applicazioni di queste nuove conoscenze

Questo lavoro potrà fornire strumenti fondamentali per la ricerca nell’ambito delle neuroscienze, aiutando a capire i malfunzionamenti del sistema nervoso “dialogando” con una parte del cervello: per fare un esempio attuale, si pensi alle persone che hanno perso il senso dell’olfatto a causa del coronavirus. Ma i risultati della ricerca, sul lungo periodo, apriranno la strada alla riparazione degli organi di senso danneggiati mediante lo sviluppo di interfacce neurali e protesi nervose basate proprio su queste nuove conoscenze.

La ricerca, coordinata da Edmund Chong della New York University, è stata condotta nell’ambito della prestigiosa Brain Initiave, finanziata dall’agenzia statunitense NIH (Nation Institute for Health), che promuove lo sviluppo di nuove tecnologie per la comprensione dei meccanismi di funzionamento dei circuiti neuronali. Secondo gli autori, il risultato ha di fatto creato una “stele di rosetta” per comprendere il linguaggio del sistema nervoso per quanto riguarda l’odore e la sua percezione.

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