Untangling the brain - La connettomica funzionale

I nostri cervelli sono costituiti da un denso "groviglio" di cellule nervose connesse tra loro tramite le sinapsi; la chiave per comprendere a fondo il funzionamento di questo straordinario organo che ci rende unici sta proprio nel mappare tutte queste connessioni. E' questa la immensa sfida della connettomica di cui ho già parlato spesso in questo blog (qui per la prima volta). Oggi voglio mostrarvi un interessante video, realizzato dalla prestigiosa rivista Nature, in cui si parla di come, per la prima volta, scienziati dell'università di Harvard siano riusciti, non solo a ricostruire il "cablaggio" di una piccola parte del cervello di topo, ma soprattutto a correlarlo alla funzione delle singole cellule (confrontandolo con dati elettrofisiologici precedentemente raccolti in vivo).

Decodificare i sensi

Ogni giorno della nostra vita i nostri occhi e le nostre orecchie sono costantemente "bombardati" da stimoli sensoriali di tutti i tipi. Capire esattamente in che modo il nostro cervello trasformi tutto questo "diluvio" di rumori, suoni, forme e colori in una immagine rappresentativa del mondo che ci circonda è sicuramente una delle sfide più affascinanti delle neuroscienze. Se seguite questo blog da un po' di tempo allora forse ricorderete dei notevolissimi risultati raggiunti in questo campo lo scorso ottobre da un gruppo di scienziati dell'università di Berkley. Questi, a partire da scansioni fMRI (risonanza magnetica funzionale) del cervello di pazienti intenti a guardare dei video, erano riusciti a ricostruire le scene che i soggetti stavano osservando (qui il post in proposito).
Il documentario che vi voglio proporre con questo post è il quarto episodio della serie "Science Bytes" (di cui si è già parlato in questo post) e racconta come, nei mesi scorsi, un altro gruppo di ricercatori di Berkley sia riuscito ad applicare la stessa tecnica per ricostruire i suoni uditi dai soggetti sperimentali (sia umani che animali) a partire da registrazioni elettroencefalografiche effettuate con microelettrodi. Simili tecnologie potrebbero in futuro cambiare la nostra vita e in particolare quella di quei pazienti che, pur non avendo modo di muoversi o di comunicare, rispondono agli stimoli esterni.

SICODE - Interfacce cervello macchina "made in Italy"

Dal romanzo “Neuromante”, di William Gibson, fino a “Matrix” passando per il più recente “Avatar” le interfacce cervello-macchina (o BMI dall'inglese Brain Machine Interface) sono sempre state molto popolari nella fantascienza. Le interfacce cervello-macchina disponibili oggi sono, però, ancora molto distanti dal raggiungere i livelli a cui ci hanno abituato scrittori e registi. Ciò che rende così difficile realizzare neurointerfacce à la Matrix che permettano di “editare” una mente, ad esempio “impiantando” un ricordo o imparando istantaneamente una nuova abilità, è che il nostro cervello funziona in modo molto diverso da una tipica “macchina di von Neumann” (quali sono, ad esempio, i nostri personal computer). Se in questo primo tipo di elaboratori di informazione hardware e software sono qualcosa di chiaramente distinto e indipendente, nel tipo di "elaboratori" che sono racchiusi nella nostra scatola cranica questa distinzione perde significato.
Come abbiamo già detto in numerosi altri post, le neuroscienze ci mostrano che i nostri contenuti mentali sono completamente riconducibili alla struttura fisica del nostro cervello. Per dirla con la già più volte citata metafora di Sebastian Seung: “i pensieri e la coscienza soggettiva (come schemi di attività neurale) stanno al connettoma (la struttura fisica del nostro cervello) come l'acqua di un ruscello di montagna sta al suo letto di pietre”. Nei cervelli biologici, infatti, l’informazione “fluisce” attraverso il cervello e la computazione avviene naturalmente a causa delle particolari proprietà fisiche e geometriche dei percorsi neurali. E’ per questo motivo che sarebbe necessario “ricablare” completamente un cervello per apportare modifiche permanenti alla memoria, personalità, ecc… di un individuo. Una simile procedura, al momento, va decisamente oltre i limiti della nostra tecnologia. Tuttavia, grazie ai recenti sviluppi dell’optogenetica (di cui abbiamo già parlato in questo post), si può già cominciare a pensare alla possibilità di realizzare “coprocessori neurali” che, anche senza riconfigurare fisicamente le connessioni del cervello, potrebbero ottenere risultati analoghi attivando “forzatamente” i neuroni giusti per indurre artificialmente i più diversi stati o contenuti mentali.
Se neurointerfacce del tipo appena descritto sono ancora lontane dall’essere sviluppate, rapidi progressi si stanno facendo verso la realizzazione di neurointerfacce di un altro tipo. Neurointerfacce per “controllare con la mente” protesi o altri dispositivi robotici. Sempre più spesso queste interfacce cervello-macchina stanno anche diventando bidirezionali, cioè in grado di inviare feedback sensoriali all’utilizzatore; un fattore molto importate, questo, per permettere, ad esempio, il controllo accurato di un arto protesico (di questo abbiamo già parlato in questo articolo). Gli sviluppi di questo secondo tipo di tecnologie rappresentano una grande promessa per chi è affetto da paralisi o per i portatori di handicap motori: queste persone infatti sarebbero le prime a poterne beneficiare, aumentando la propria indipendenza e migliorando la propria qualità di vita.
E’ proprio in quest’ultima linea di ricerca che si inserisce il progetto di cui vi voglio parlare oggi: SICODE (qui il sito ufficiale). Il progetto, portato avanti da un consorzio di istituti di ricerca europei con il cooordinamento dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova,  si pone l'obbiettivo di perfezionare l'ingegneria delle neurointerfacce approfondendo la comprensione del funzionamento del cervello durante il movimento del corpo. SICODE vedrà l'Italia ricoprire un ruolo di primissimo piano, con la partecipazione dell'IIT, la cui attività sarà coordinata dal dottor Stefano Panzeri del "Center for Neuroscience and Cognitive Systems" di Trento, e con quella della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA). Del consorzio fanno parte anche altri due istituti di grandissimo rilievo internazionale nel campo delle neuroscienze come il Max Planck Institute for Biological Cybernetics di Tubinga e l'Università di Zurigo. Fino ad oggi - spiega il professor Panzeri - veniva presa in considerazione solo la connessione tra i neuroni deputati al movimento e l'oggetto esterno, quale un arto artificiale, senza tenere conto delle variabili di stato che influenzano i processi cerebrali, come gli stati di allerta, attenzione e motivazione. Il cervello è un sistema altamente complesso e solo prendendolo in considerazione nel suo insieme è possibile realizzare delle interfacce in grado di interpretare correttamente tutte le sfumature dei segnali ricevuti, dando così alle protesi a cui sono connesse la capacità di eseguire esattamente i movimenti desiderati.
Il progetto, come è ormai consuetudine nella ricerca neuroscientifica più d'avanguardia, vedrà la partecipazione di un team interdisciplinare, che includerà neuroscienziati, fisici, matematici e ingegneri.  La ricerca – spiega il prof. Vincent Torre della SISSA - si dividerà in due fasi, diverse ma complementari. Innanzitutto cercheremo di comprendere quale sia l'attività elettrica del sistema nervoso in assenza di stimolazioni, ovvero studieremo quale sia la sua attività spontanea che da un punto di vista informatico rappresenta il rumore del sistema. La seconda fase del progetto consiste nella progettazione e realizzazione di interfacce cervello-macchina di nuova generazione capaci di "leggere" correttamente l'attività elettrica del cervello nella prospettiva di poter contribuire a ridare una reale autonomia di movimento a chi è affetto da gravi handicap motori.

L' Allen Institute for Brain Science si espande

Pochi giorni fa Paul Allen, cofondatore della Microsoft e filantropo, ha donato ben 300 milioni di dollari all'"Allen Institute for Brain Science" da lui stesso fondato nel 2003 con uno stanziamento iniziale di 100 milioni di dollari. Con questa ulteriore donazione Allen ha permesso all'istituto di ricerca di varare un vasto e ambizioso piano decennale volto ad affrontare le più fondamentali e complesse questioni della ricerca neuroscientifica. Il programma di ricerca sarà strutturato attorno a tre domande centrali che spesso abbiamo toccato in passati post:

• In che modo il cervello elabora, codifica ed immagazzina l'informazione?

• Qual’è l'unità funzionale fondamentale del cervello e quali sono i suoi costituenti cellulari elementari?

• In che modo le cellule si sviluppano per formare i circuiti cerebrali che sono alla base del comportamento e delle disfunzioni cerebrali?

Il professor Susumu Tonegawa, premio nobel per la medicina e la fisiologia nell'87, ora direttore del "RIKEN-MIT Center for Neural Circuit Genetics", ha dichiarato: "La strategia innovativa dell'Allen Institute, che consiste nell'unire alla ricerca stile "big science" (cioè con progetti di ricerca intensivi e di vasta portata che richiedono un infrastruttura di tipo industriale, solitamente dai costi elevati) un approccio di "open science" (cioè di condivisione gratuita dei risultati con tutta la comunità scientifica), sta davvero trasformando le neuroscienze". "Con progetti che vanno della realizzazione del mouse- e dello "human-brain atlas" fino alle nuove iniziative nel campo del neural coding e della mappatura della "circuiteria cerebrale" l'istituto sta permettendo di fare passi da gigante verso la comprensione ed il trattamento di patologie che, altrimenti, sarebbero ancora lontane parecchi anni dal trovare una cura". Anche Ed  Boyden, professore di bioingegneria all'MIT e pioniere  dell'optogenetica (di cui abbiamo già parlato in questo vecchio post), guarda con grande interesse al lavoro dell'istituto: "L'Allen Institute sta mettendo a punto uno straordinario set di strumenti con i quali cercare di comprendere il funzionamento dei circuiti cerebrali in un modo davvero integrato: dalla "lista delle parti" (dal livello molecolare) al modo in cui queste lavorano insieme (il livello di sistema)". "Sarebbe impossibile per un normale laboratorio di ricerca mettere insieme tutti i pezzi in questo modo; solo lo sforzo concentrato di un grande istituto come l'Allen può permetterlo".
A dirigere i nuovi settori di ricerca aperti all'istituto sono stati chiamati scienziati di fama mondiale come il biofisico Christof Koch del Caltech (che si era unito all'Allen Institute già l'anno scorso come capo responsabile scientifico), Clay Reid dalla Harvard Medical School e Ricardo Dolmetsch, dalla Stanford University.
Se non vi spaventa l'inglese, a questo indirizzo, potete trovare l'intera conferenza stampa organizzata per annunciare i nuovi programmi dell'Allen Institute con gli interventi di Christof Koch, Paul Allen, e del direttore: Allan Jones. Inoltre, per chi fosse curioso, in accordo con la filosofia "open" dell'istituto, tutti i dati e gli strumenti sviluppati dall'Allen Institute sono liberamente accessibili da chiunque al sito www.brain-map.org. Per concludere, vi voglio lasciare alla visione del breve video divulgativo (qui sotto) in cui viene rapidamente presentata l'attività dell'istituto.

Science Bytes

Oggi voglio segnalarvi "Science Bytes" (qui il sito); un'innovativa ed interessante iniziativa di divulgazione di PLoS (The Public Library of Science), una importante organizzazione no-profit di pubblicazione scientifica "open-access". Science Bytes è una serie di brevi video, basati su studi pubblicati da PLoS, riguardanti le scoperte che stanno plasmando il nostro futuro. Credo che sia molto positivo che gli editori di una importante collana di riviste scientifiche specialistiche come PLoS si preoccupino di rendere i propri articoli disponibili ad un pubblico più ampio, anche di non professionisti. Come afferma Michael Schwarz, produttore esecutivo di Science Bytes: "Scienziati di ogni parte del mondo raggiungono risultati incredibili quasi quotidianamente. Tuttavia la maggior parte delle persone non viene a conoscenza delle loro scoperte; sia perché le riviste specialistiche su cui queste sono pubblicate hanno costi proibitivi, sia perché gli articoli sono scritti in un linguaggio così tecnico da risultare virtualmente incomprensibile al neofita". E' proprio da questa constatazione che nasce il progetto Science Bytes: "abbiamo lavorato alla produzione di documentari televisivi per molti anni, ora metteremo a frutto la nostra esperienza per "tradurre" i più interessanti articoli scientifici pubblicati da PLoS in brevi video disponibili online".

Qui sotto potete vedere la seconda puntata(in inglese) della serie, intitolata "Whisker Wonders":

"Come fa il nostro cervello, quando tocchiamo qualcosa, a tradurre gli stimoli sensoriali in percezioni tattili? Incontriamo due scienziati che stanno cercando di rispondere a questa domanda con uno "strumento" molto particolare: i baffi dei topi. Proprio come le mani per gli esseri umani, i baffi di questi animali sono l'organo di senso primario per quanto riguarda il tatto. Analizzare come gli impulsi nervosi prodotti dai baffi vengono elaborati dal cervello dei topi fornisce un modello utilissimo per svelare i misteri del nostro senso del tatto."

Mind uploading - Trasferire la mente in un computer

Il "trasferimento della mente" o “mind uploading” è l'ipotetico processo di trasferimento o, per meglio dire, di copia, di una mente cosciente da un cervello a un substrato non biologico (ad esempio un computer). Il mind uploading e le questioni ad esso collegate sono tra i “temi caldi” della filosofia transumanista, che ho introdotto, qualche tempo fa, in questo post. Oggi ho intenzione di provare a illustrarvi (senza alcuna pretesa di completezza!) gli argomenti che fanno apparire questa pratica, per quanto futuribile, realizzabile, almeno basandosi sulle conoscenze scientifiche attuali. Ho già detto in passato che le neuroscienze ci suggeriscono come la nostra coscienza soggettiva , in altre parole la nostra mente, non sia altro che un processo che ha luogo nel nostro cervello; anzi si potrebbe dire che la mente sia l’attività del cervello (o per lo meno di certe sue parti). Questa convinzione è generalmente condivisa da coloro che hanno una visione naturalistica e materialistica, in altre parole, “scientifica” del mondo. Come si è già detto in questi due post (qui e qui), infatti, la posizione filosofica opposta, il dualismo, che vede una netta separazione tra mente e cervello appare ormai scientificamente insostenibile. L’altra ipotesi alla base del mind uploading, è che le memorie, la personalità e più in generale tutto ciò che rende unica ogni persona sia immagazzinato e codificato nella struttura fisica della immensa rete di neuroni del cervello. Anche questa idea è ormai vastamente accettata dalla comunità neuroscientifica e sta alla base della nascente scienza della “connettomica” di cui si è già parlato spesso (ad esempio qui e qui). La base strutturale di memoria e personalità è dimostrata, ad esempio, dal fatto che i pazienti chirurgici posti in stato di arresto circolatorio in ipotermia profonda (“Profound Hypothermia and Circulatory Arrest” (PHCA)) durante un operazione hanno attività cerebrale completamente assente per periodi di anche un ora. Nonostante questo, dopo essere stati rianimati essi conservano memoria e personalità completamente intatte. Per chiarire meglio la relazione tra mente e cervello che emerge dalle neuroscienze voglio riportare ancora una volta la bellissima metafora usata dal fisico e neuroscienziato Sebastian Seung in una conferenza che è stata argomento di un passato post: i pensieri e la coscienza soggettiva (come schemi di attività neurale) stanno al connettoma (la struttura fisica del nostro cervello) come l'acqua di un ruscello di montagna sta al suo letto di pietre. Per restare nella metafora, il caso descritto sopra di una persona che rimane priva di attività cardiaca e cerebrale per poi essere rianimata è equivalente a quando il ruscello, rimasto in secca per qualche tempo, vedesse il suo letto, ancora intatto, nuovamente percorso dal flusso dell’acqua. Considerando la mente come un processo si arriva a supporre la sua “indipendenza funzionale dal substrato”. Se quello che conta è l’attività del cervello che, come ci indicano le neuroscienze, è un processo di elaborazione dell’informazione, non ha importanza che quest’elaborazione venga eseguita da neuroni biologici o da un qualunque dispositivo calcolatore costruito dall’uomo (questa equivalenza funzionale risulta evidente nel caso delle neuroprotesi). Cercherò di chiarire questo concetto con un esempio, un esperimento mentale, che altro non è se non la descrizione di una ipotetica procedura di “uploading graduale” proposta da Hans Moravec (la traduzione riportata qui sotto è tratta un ottimo articolo di approfondimento disponibile su Estropico.org):

“Un chirurgo robot è equipaggiato con un manipolatore che si divide ricorsivamente e sempre più finemente in subdiramazioni, fino a risultare costituito da miliardi di dita sensibili di scala nanometrica. Il paziente siede comfortabilmente (sebbene probabilmente con la sua testa serrata in una morsa) e sveglio, mentre il chirurgo penetra col suo manipolatore nella testa del paziente. Le minuscole dita del manipolatore cominciano a scostare via cellule di tessuto, esponendo il cervello ma suturandone, mano a mano, i vasi sanguinei così che le dita non lavorino creando troppa confusione. Con i sensori elettrici e chimici posizionati sulla punta delle dita, il manipolatore monitora l'attività di tutte le cellule esposte del cervello. Quando il computer del robot ha memorizzato tutto quello che esse stanno facendo [e la loro struttura fisica], configura una simulazione per riprodurre la loro attività. Il manipolatore rimuove queste cellule e, ancora una volta per mezzo delle sue “magiche” nanodita, connette il rimanente tessuto celebrale alla simulazione. Livello dopo livello esso procede in questa maniera fino a che la testa del paziente, rimasto cosciente durante tutta la procedura, è svuotata ed è tutta “trasferita” nella simulazione. “

Per ora una simile procedura è decisamente fantascienza, tuttavia questo "gedankenexperiment" rende chiaramente l’idea di come la sostituzione graduale dei neuroni biologici con dei loro equivalenti computazionali (la simulazione) possa conservare l’identità e la coscienza soggettiva del paziente. In generale però l’uploading può anche non essere graduale; questo è vero ad esempio nell’”uploading tramite procedura microtomica“, un procedimento di questo tipo appare di più facile realizzazione dal punto di vista tecnologico rispetto al precedente. Sempre prendendo spunto dall’articolo reperibile su Estropico.org:

“Il cervello del paziente è trattato con un fissante chimico oppure congelato alla temperatura dell'azoto liquido. Successivamente viene sezionato in strati molto sottili; ogni strato è sottoposto a scansione, ad esempio, tramite un microscopio elettronico in modo da mappare l’intero cervello con risoluzione nanometrica (proprio come nel protocollo sperimentale per la connettomica che vi ho descritto qui). Infine questi dati vengono utilizzati da un computer per ricostruire una accuratissima simulazione del cervello del paziente su un substrato artificiale. Quando la simulazione viene viene fatta “girare” ed interfacciata con adeguati imput sensoriali, oltre che, eventualmente, ad un corpo robotico, il paziente, ormai “uplodato” in un supporto non biologico, riprende conoscenza esattamente con la stessa personalità e ricordi che aveva prima di sottoporsi alla procedura.”

E’ questa la speranza di coloro che decidono far preservare in azoto liquido il proprio corpo dopo la morte. Il fine di questa pratica, detta crionica (a cui abbiamo già accennato nel post in cui si parlava della conferenza di Seung citata prima), è infatti, proprio quello di preservare le strutture del cervello che conservano l’informazione sulla personalità e sull’io del defunto. In questo modo, in un futuro più o meno lontano, grazie al progresso di scienza e tecnologia, qualcuno potrebbe eseguire una procedura simile a quella descritta sopra per “svegliare” i pazienti congelati, regalando loro quella che potremmo chiamare "immortalità cibernetica". Come spiega Seung nella conferenza appena citata (e nel suo recente libro "Connectome"), proprio la connettomica potrebbe testare la validità scientifica delle attuali procedure crioniche, valutandone l’efficacia nel preservare intatto il connettoma. Sull'interessante sito della "Brain Preservation Foundation" (qui il link) potrete trovare molte informazioni a questo proposito. Per chi invece volesse approfondire ulteriormente argomenti come mind uploading e crionica rimando alle rispettive sezioni su Estropico Blog, al sito del"LIFEXT Group" o al relativo Forum (sezione Mind uploading e sezione Crionica).

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HCP - L'approccio "macro" alla connettomica

In numerosi post precedenti si è parlato di connettomica (ad esempio qui e qui). In queste occasioni abbiamo sempre definito il connettoma come una "mappa" delle migliaia di miliardi di connessioni tra i neuroni di un cervello. Questo tipo di connettoma a livello di singoli neuroni e sinapsi viene spesso chiamato connettoma "neurale". Le potenzialità scientifiche insite nello studio di questo tipo di connettoma, come già abbiamo detto più volte sono immense, tuttavia, almeno al momento, la mappatura del cervello con una risoluzione spaziale sufficiente all'acquisizione di un connettoma neurale rimane una sfida tecnologica ardua. Esiste un altro tipo di connettoma, più facilmente accessibile con la tecnologia attuale, il connettoma "regionale". Un connettoma di questo tipo anziché mappare le connessioni tra singole cellule neurali specifica i collegamenti tra le varie macro-regioni (come ad esempio le varie "aree" della corteccia celebrale") di un cervello. La risoluzione di un simile connettoma può variare molto, da frazioni di centimetro a qualche micrometro: un singolo pixel (o meglio "voxel", perché stiamo parlando di pixel tridimensionali) di un connettoma regionale può rappresentare migliaia o addirittura centinaia di migliaia di neuroni. Un simile "schema di connessione", nonostante la sua risoluzione relativamente bassa, promette di regalarci una vera e propria svolta nella comprensione del cervello. Infatti molti neuroscienziati pensano che numerosi processi di elaborazione dell'informazione alla base dell'intelligenza e delle funzioni cognitive superiori si svolgano proprio tra quelle micro-regioni del cervello dette "colonne corticali". Queste strutture di cui è composta l'intera neocorteccia costituirebbero una sorta di "unità funzionale universale" della corteccia cerebrale. Poiché la loro larghezza si aggira proprio sui proprio 500 µm, esse risultano distinguibili in un connettoma regionale. E' chiaro quindi come studiarne le interconnessioni sia di grande interesse, permettendo di scoprire quali "circuiti cerebrali" siano alla base di specifiche funzioni cognitive. Inoltre i connettomi regionali, a differenza di quelli neurali, sono realizzabili in vivo in modo "non distruttivo", rapido ed economico, tramite comuni scanner a risonanza magnetica. Questo permette di studiarne comodamente l'evoluzione nel tempo su modelli umani. Per chi fosse interessato ad approfondire questi discorsi è disponibile online (a questo indirizzo) lo storico ed interessante articolo, pubblicato su "PLoS Computational Biology", che nel 2005 ha coniato il termine "connettoma".

Attualmente è in corso di svolgimento un grande progetto di connettomica regionale: lo "Human Connectome Project" (HCP). Finanziato dall'americano "National Institute of Health", il suo scopo è proprio quello di accelerare il progresso della connettomica (regionale) umana migliorando le capacità di imaging e di analisi dei dati. Lo HCP inoltre mapperà completamente i macrocircuiti regionali di 1200 adulti sani usando metodi di neuroimaging all'avanguardia. Raccogliendo in contemporanea dati genetici e comportamentali su questi soggetti sarà anche possibile chiarire meglio la relazione tra comportamento, caratteristiche genetiche e struttura dei circuiti regionali. Il progetto verrà svolto in due fasi da un consorzio di 11 istituzioni. Nella fase I(della durata di due anni, dall'autunno 2010 alla primavera 2012), attualmente in corso, stanno venendo sviluppate ed ottimizzate le tecniche di acquisizione ed elaborazione dati. Nella fase II (della durata di circa quattro anni, a partire dall'estate 2012) inizierà la raccolta dati che si svolgerà in parallelo con la loro elaborazione. I risultati saranno pubblicati ad intervalli regolari fino al completamento del progetto.

Neurospin - L'LHC delle neuroscienze

Entro il 2013 verrà completata la più potente macchina per imaging a risonanza magnetica mai realizzata. La progettazione e messa in opera di questa sorta di "LHC delle neuroscienze" si sta svolgendo nell'ambito del progetto Neurospin che si vuole proporre come una specie di CERN per studi sul cervello. Questo progetto sta portando alla costituzione, a Saclay Saint-Aubin, non lontano da Parigi, di un enorme centro di ricerca interamente dedicato alle neuroscienze. La mastodontica macchina che entrerà in finzione a Saclay sarà in grado di generare un campo magnetico di 11.7 tesla, per confronto basti pensare che i più potenti scanner MR usati negli ospedali, normalmente, arrivano a "soli" 3 tesla. In realtà, scanner da 11 tesla esistono già in altri laboratori, tuttavia questi possono essere utilizzati solo per studi su animali a causa delle ridotte dimensioni. Lo stesso centro di Saclay è dotato di uno di questi piccoli scanner da ben 17 tesla che, anche in questo caso, è il più potente al mondo della sua categoria. Realizzare uno scanner con campi di intensità così estreme, abbastanza grandi da essere utilizzabili per studi sull'uomo è una vera sfida poiché bisogna riuscire a rendere i campi uniformi su un volume di spazio relativamente esteso. Questa necessità rappresenta un notevole ostacolo ingegneristico che sta richiedendo un lungo e difficoltoso lavoro di ricerca e sviluppo tecnologico. Le bobine utilizzate nella macchina sono costituite da fili superconduttori di niobio-titanio (NbTi) lunghi varie centinaia di chilometri. Durante il funzionamento dello scanner questi saranno immersi in centinaia di litri di elio superfluido in modo da mantenerli alla bassissima temperatura di 1,8 kelvin. La sola bobina, una volta realizzata, peserà attorno alle 45 tonnellate. La macchina ospiterà una stretta apertura di circa 90 cm di diametro, appena sufficiente per farvi entrare un essere umano.
Le possibilità scientifiche aperte da un simile dispositivo ripagano ampiamente gli alti costi di realizzazione e mantenimento che richiederà il progetto. Grazie al nuovo scanner sarà possibile comprendere meglio la biochimica umana e studiare con un dettaglio senza precedenti le reazioni neurochimiche che sono alla base dei processi del pensiero. Utilizzando la spettroscopia NMR del carbonio tredici si potrà addirittura arrivare ad analizzare in tempo reale lo svolgimento di singole reazioni biochimiche nel corpo umano. L'intensissimo campo magnetico permetterà poi di raggiungere risoluzioni spaziali e temporali delle immagini tali, ad esempio, da permettere di risolvere gruppi di pochi neuroni all'interno del cervello. Già oggi gli scienziati di Neurospin stanno lavorando allo sviluppo di nuovi mezzi di contrasto per l'imaging molecolare e stanno sviluppando nuovi algoritmi di intelligenza artificiale indispensabili per gestire l'immensa mole di dati che verrà prodotta. Entro il 2014 l'obbiettivo è quello di spingere la risoluzione dello scanner attorno ai 10 micron. La possibilità di distinguere un simile dettaglio permetterà di sfruttare fruttuosamente la nuova macchina per gli scopi della connettomica (pur senza arrivare alla risoluzione nanometrica ottenibile con procedure distruttive, tramite microscopia elettronica). L'ineguagliato potere risolutivo della macchina potrebbe anche permettere di superare gli attuali limiti nelle possibilità di "lettura della mente" (di cui abbiamo già parlato in questo post) della risonanza magnetica funzionale (fMRI). Per chi volesse approfondire gli aspetti fisici ed ingegneristici di Neurospin consiglio la visione della presentazione che potete trovare qui. Per saperne di più sui programmi di ricerca portati avanti nell'ambito del progetto segnalo l'interessante documento reperibile a questo indirizzo.

Ripensare l'Io

In una recente conferenza TED, tenutasi a Manchester, il noto filosofo inglese Julian Baggini si pone una interessante domanda: esiste un "vero Io", un'"essenza", un "nucleo" che ci definisce e rimane immutato nel corso di tutta la nostra vita?
Il senso comune e la cultura popolare suggeriscono con forza che ognuno di noi abbia una sorta di "essenza del sé", che aspetta solo di essere scoperta, una verità permanente su ciò che ognuno di noi realmente è. Nella sua conferenza Baggini si propone proprio di sfidare questa radicata convinzione, anche alla luce delle scoperte neuroscientifiche.
Il "modello comune" di che cosa sia una persona è costituito da un Io, questa sorta di "essenza del sé" di cui si parlava prima, a cui si attribuiscono ricordi, sentimenti, sensazioni, credenze, desideri ecc... Baggini, nel suo discorso, argomenta che questo modello ha qualcosa di fondamentalmente sbagliato. Non c'è nessun "Io" essenziale, nessun elemento centrale privilegiato che connette memorie, sensazioni, esperienze ecc... queste sono invece direttamente interconnesse tra loro. L'Io, semmai, è questa rete di elementi strettamente correlati tra loro.
A prima vista potrebbe sembrare una differenza sottile, ma non è così; si passa dal pensare a se stessi come a delle entità dotate di esperienze di vita e stati mentali a pensare a se stessi semplicemente come ad una "collezione" di questi. La relazione tra queste "parti" interagenti è di natura fisico-biologica; esse si riferiscono tutte allo stesso cervello e allo stesso corpo, ma si sviluppa anche nel tempo acquistando una dimensione storica. Lo stato attuale, ad esempio, della propria memoria è fortemente dipendente dallo stato passato dei propri desideri o delle proprie sensazioni. Per citare le parole di Baggini: "si è la somma delle proprie parti". Questa concezione "riduzionista" (per chiarire cosa intendo qui per riduzionista potete leggere questo recente post) dell'Io, corroborata dalle scoperte sul funzionamento del cervello che le neuroscienze stanno facendo in questi anni, si ritrova, seppur declinata in modi molto diversi, in correnti di pensiero lontanissime tra loro sia geograficamente che storicamente: dalla filosofia illuminista fino a certe correnti del buddismo.
Dal punto di vista neurobiologico, fa notare Baggini, non esiste un'"unità centrale" del cervello, una struttura in cui risieda l'io o la coscienza. Le neuroscienze indicano come queste siano proprietà emergenti dalla dinamica complessiva di moltissime parti del sistema nervoso.
Le implicazioni filosofiche di tutto questo sono grandi: non esiste un organo che abbia la funzione di collegare il corpo, materiale, con una mente immateriale, in altre parole, con un "anima". Il dualismo, la posizione filosofica che vede una netta separazione tra piano mentale e fisico (e quindi tra mente e cervello), è ormai insostenibile, almeno alla luce delle conoscenze neuroscientifiche odierne. L'idea di un "Io privilegiato", così come quella del dualismo, è, però, molto spontanea, istintiva e accattivante; Baggini per questo la chiama "Ego Trick" ("l'inganno dell'ego"). Molte delle conclusioni del filosofo inglese a questo proposito ricordano le idee di Daniel Dennett (di cui abbiamo già parlato qui) e la sua critica del concetto di qualia, brillantemente esposta nel saggio divulgativo "Sweat Dreams: illusioni filosofiche sulla coscienza". Nel finale della conferenza Baggini fa notare come, vedendo le cose in questa nuova ottica l'Io e la coscienza soggettiva appaiano come un processo dinamico, anziché come qualcosa di statico. In proposito, non posso non citare la bellissima metafora usata dal neuroscienziato Sebastian Seung nella sua conferenza "I am my connectome" , di cui abbiamo già parlato spesso: i pensieri e la coscienza soggettiva (come schemi di attività neurale) stanno al connettoma (la struttura fisica del nostro cervello) come l'acqua di un ruscello di montagna sta al suo letto di pietre; la forma del letto determina lo scorrere dell'acqua, ma questa, col tempo, può modificarlo, scavando nuovi percorsi.
In conclusione, oltre all'interesse puramente filosofico, Baggini sottolinea l' aspetto psicologicamente liberatorio di questo "ripensamento dell'Io": siamo noi, con le nostre azioni e la nostra volontà, almeno entro certi limiti, a plasmare il nostro stesso Io e a definire ciò che siamo.

Posto qui sotto il video della conferenza. Purtroppo, almeno al momento, non sono disponibili i sottotitoli; né in italiano, né in inglese.(Il quadro in alto a sinistra è "L'io supremo" di Palmo Ancona).

"Connectome" - Il nuovo libro di Sebastian Seung

Il 7 febbraio 2012 uscirà negli Stati Uniti: "Connectome. How the brain's wiring makes us who we are", saggio divulgativo scritto da Sebastian Seung. Del professor Seung, fisico e neuroscienziato all'MIT, e della connettomica abbiamo già parlato in due post precedenti (qui e qui), di cui consiglio la lettura per capire meglio ciò di cui stiamo parlando. Qui sotto vi propongo il poetico incipit del libro (da me liberamente tradotto in italiano):

"Né una strada, né un sentiero, penetrano in questa foresta. I rami lunghi e delicati dei suoi alberi si intrecciano ovunque, soffocando lo spazio con la loro crescita esuberante. Nessun raggio di sole può viaggiare lungo una traiettoria abbastanza tortuosa da attraversare gli angusti vuoti di questo groviglio di rami. Tutti gli alberi di questa buia foresta sono germogliati da cento miliardi di semi piantati contemporaneamente e, in un solo giorno, ognuno di essi è destinato a morire.

Questa maestosa foresta è comica e tragica allo stesso tempo. In effetti, certe volte penso che sia tutto. Qualunque romanzo o sinfonia, qualunque crudele omicidio o atto di pietà, qualunque storia d'amore o litigio, qualunque gioia o dolore, tutte, vengono dalla foresta.

Ci si potrebbe sorprendere nel sentire che tutto ciò stia in un contenitore di meno di trenta centimetri di diametro, o che ve ne siano sette miliardi sulla nostra Terra. Eppure tutti noi ci troviamo ad essere i custodi di una di queste foreste.
Gli alberi di cui sto parlando sono quelle particolari cellule chiamate neuroni.
La missione delle neuroscienze è quella di esplorare i loro rami incantati per domare la giungla della mente."

A questo indirizzo è già online il sito ufficiale del libro, in cui potrete trovare ulteriori informazioni (in inglese) e materiale, tra cui bellissimi video e immagini della "foresta cerebrale" di cui Seung parla nell'introduzione qui sopra. Per concludere in bellezza questo post voglio proprio mostrarvi uno di questi video che mostra il processo di ricostruzione 3D della struttura dei neuroni, una procedura che è al cuore della connettomica. Il volumetto di tessuto cerebrale che si vuole "mappare" viene sezionato da speciali macchine in sottilissimi foglietti che, dopo aver subito un complesso trattamento chimico di fissaggio, vengono scansionati tramite microscopi elettronici. Le sezioni così ottenute sono poi utilizzate da speciali software per effettuare una ricostruzione tomografica tridimensionale della forma di tutti i neuroni presenti nel campione di tessuto. Questo è possibile seguendo strato dopo strato, immagine dopo immagine, il lume dei rami dei neuroni che, nel video, potete riconoscere come macchie circolari di colore chiaro che punteggiano ogni singola sezione del volumetto.

Se qualcuno di voi fosse interessato, ecco il link della pagina di amazon su cui potete ordinare il libro.

PS: Consiglio anche la visione del bel video di presentazione del libro che linko qui.



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L'occhio bionico

In questo video TEDMED, Sheila Nirenberg ci mostra il frutto del suo lavoro di ricerca: una protesi retinica che, connettendosi con il nervo ottico, è in grado di inviare direttamente al cervello i segnali di una videocamera dopo averli correttamente codificati, ed in pratica "tradotti", in modo da essere "comprensibili" per il cervello. Il dispositivo della Nirenberg, testato con successo sui topi, promette di ridare la vista a persone affette da vari tipi di cecità come, ad esempio quella causata dalla retinite pigmentosa.
Sheila Nirenberg è professoressa di fisiologia e biofisica presso il Weill Medical College della Cornell University, i suoi studi si concentrano sul "neural coding", cioè su come il cervello codifichi le informazioni provenienti dai sensi in schemi di attività elettrica neuronale. L'obbiettivo è quello di riuscire a decodificare l'attività neurale in modo da essere in grado di capire da questa, che cosa un animale stia vedendo, provando o pensando in un determinato momento.
Proprio la corretta codifica dei segnali da inviare al cervello è stata, negli ultimi anni, l'ostacolo che ha impedito la realizzazione di protesi retiniche efficaci. Per questo motivo la professoressa Nirenberg si è dedicata ad applicare i risultati delle sue precedenti ricerche riguardanti la codifica neurale allo sviluppo di protesi innovative.
Il cuore del dispositivo realizzato dal gruppo della Nirenberg è costituito da due parti, un codificatore ed un trasduttore che possono bypassare una retina danneggiata. Il primo codifica l'informazione visiva in un messaggio simile a quello che verrebbe generato da una retina biologica, sfruttando modelli computazionali delle reti di neuroni della retina stessa. Il secondo trasmette questo segnale alle cellule gangliari (i cui assoni sono riuniti a formare il nervo ottico) del soggetto che sono in grado di interpretarlo come se si trattasse di un segnale "naturale" e trasmetterlo al cervello tramite il nervo ottico.
Le possibilità mediche aperte da questa tecnologia sono enormi; trovare il modo di comunicare con il cervello nel suo stesso "linguaggio" potrebbe portare a nuovi trattamenti, ad esempio, per la sordità o per vari tipi di disordini motori.
Le future applicazioni di una simile tecnologia però non si limitano all'ambito sanitario. La possibilità di sostituire gli imput provenienti dei sensi al cervello con segnali "artificiali" sarebbe un passo da gigante per lo sviluppo di tecnologie di realtà virtuale o di realtà aumentata a cui ci ha abituato la fantascienza con film come "Matrix". La professoressa Nirenberg ha affermato: "Comprendere il codice del cervello è davvero importante; nel momento in cui comprenderemo a pieno il linguaggio del cervello diverranno possibili cose prima non ritenute tali".
Per quanto riguarda i tempi, quando viene chiesto alla Nirenberg se bisognerà aspettare dieci anni per vedere diventare la sua tecnologia di uso comune sull'uomo lei risponde, "no, spero meno".

2012 - L'anno dello Human Brain Project?

L'anno appena iniziato sarà probabilmente un anno importante per il Blue Brain Project. Questo progetto di ricerca dovrebbe portare, entro il 2023, alla realizzazione di una simulazione su supercomputer che, come ha affermato il suo stesso direttore, Henry Markram: "riprodurrà integralmente un cervello umano, emozioni comprese” (di tutto questo abbiamo già parlato più nel dettaglio qui). Come dicevo, questo potrebbe essere un anno di svolta, il progetto, infatti, è candidato per ricevere un grosso finanziamento di ricerca dell'unione europea nell'ambito del programma Future and Emerging Technologies (FET) Flagships Initiative. I finanziamenti ammonterebbero a circa un miliardo di euro in dieci anni e permetterebbero un’accelerazione sostanziale con il raggiungimento degli obiettivi in tempi più rapidi; la decisione finale riguardo all'assegnazione dei fondi è attesa per la metà di quest'anno. In caso di vittoria nel concorso il progetto Blue Brain verrebbe rinominato Human Brain Project, e da svizzero diventerebbe a tutti gli effetti un progetto europeo, coinvolgendo istituzioni scientifiche di tutto il continente.
Anche l'Italia potrebbe ritagliarsi un ruolo in tutto questo, con sei ricercatori nel gruppo di oltre 150 scienziati che stanno lavorando alla predisposizione della proposta di finanziamento per il progetto HBP. I rispettivi enti di appartenenza (Politecnico di Torino, Università di Pavia, Università di Firenze, LENS e CNR con gli istituti di Scienze e Tecnologie della Cognizione (Roma), di Biofisica (Palermo) e di Ricerche sulla Popolazione e le Politiche Sociali (Roma) hanno dato vita ad un “cluster” nazionale che si propone di ricoprire un ruolo di primo piano nella predisposizione e, successivamente, nell’esecuzione del progetto. Ecco alcune delle dichiarazioni degli scienziati italiani che hanno partecipato, quest'anno, a Torino, alla prima conferenza della collaborazione:

“Il LENS e l’università di Firenze si occuperanno della messa a punto di un tomografo ottico per la ricostruzione dell’intera rete del cervello con un dettaglio mille volte superiore alle tecniche esistenti, tipo la Risonanza magnetica Nucleare. Uno degli scopi principali della ricerca fiorentina verterà sul collegamento struttura-funzione della rete neurale. In altre parole, proveremo a capire in che maniera patologie come l’autismo o la schizofrenia sono legate ad una particolare struttura di rete neurale, o come, ad esempio, le caratteristiche dell’apprendimento sono legate a particolari soluzioni di rete che il cervello adotta”. Ha affermato Francesco Pavone dell'Università di Firenze.

“Il gruppo di ricerca dell’Università di Pavia in associazione con l’IRCCS Istituto Neurologico Nazionale C. Mondino, porterà alla generazione del primo modello computazionale realistico del cervelletto. Tale componente fondamentale verrà integrata nel modello del cervello dello Human Brain Project. Le simulazioni saranno supportate da ricerche sperimentali, cellulari ed applicate”, ha dichiarato Egidio D’Angelo, dell’Università di Pavia.

Michele Migliore, referente del progetto per l’IBF del CNR, ha spiegato: “il laboratorio di Neuroscienze Computazionali dell' Istituto di Biofisica (Palermo) metterà a disposizione dello HBP le proprie competenze di Multiscale modeling di neuroni e reti di neuroni realistiche, Simulazioni di sinapsi e meccanismi di plasticità sinaptica, Modelli di simulazione di disfunzioni e patologie del sistema nervoso centrale”.

Orazio Miglino, dell’ISTC del CNR ha commentato: "Henry Markram propone una sfida che, come spesso è accaduto nell'avvio delle grandi avventure umane, è stata anticipata dalla fantascienza e dalla fantasia letteraria. In "2001 Odissea nello spazio" Stanley Kubrick illustra l'evoluzione del cammino umano nell'esplorazione dell'Universo facendola concludere con l'ultimo e più intimo luogo della sua esistenza: il cervello di un feto umano. Markram, novello Ulisse, sta raccogliendo intorno a se una ciurma di ricercatori pronti ad esplorare (e riprodurre) questo luogo. Sarà l'Impresa del XXI secolo”.

“L'Istituto di Ricerca sulla Popolazione e le Politiche Sociali del CNR è molto attento alla ricerca scientifica e alle tecnologie che hanno impatto sulla società e sulle persone. E' in questa direzione che si colloca l'adesione allo Human Brain Project, iniziativa che affronterà almeno tre grandi sfide scientifiche rivolte a migliorare la vita delle persone: comprendere il cervello umano e le malattie neurologiche, definire nuove macchine computazionali più simili al cervello umano e definire nuovi modelli computazionali in grado di riconoscere e processare la complessità della realtà che è intorno a noi. Al termine del progetto le conoscenze sviluppate permetteranno, tra i vari risultati, di individuare cure per le malattie neurologiche e di realizzare macchine con le quali è possibile interagire e comunicare in modo naturale”, ha concluso Fernando Ferri, dell’IRPPS del CNR.

Voglio concludere questo primo post dell'anno proponendovi una bella conferenza TED, registrata nel 2009, in cui Henry Markram illustra le sfide e le finalità del progetto Blue Brain. Per chi fosse interessato, a questi indirizzi (qui e qui) sono invece disponibili i primi due video-documentari (in inglese) di una serie che dovrebbe seguire, anno per anno, le tappe del progetto.

A questo punto non mi resta che augurarvi buona visione e buon anno nuovo!

PS: Aggiungo qui il link a un dettagliato e interessante report sulle attività dello HBP realizzato nell'aprile 2012 per la commissione europea...

Consigli di lettura natalizi

Ormai è quasi Natale, per questo ho deciso, come avviene su molti altri blog scientifici, di proporvi anch'io quattro libri che penso potrebbero farvi buona compagnia nel periodo delle feste.

La prima lettura che vi propongo è: "La scoperta dell'universo. I misteri del cosmo alla luce della teoria dell'informazione" di Charles Seife, matematico e divulgatore scientifico americano. In questo libro l'autore, con un linguaggio sempre chiaro e preciso, mostra come, attraverso la teoria dell'informazione, si possa gettare una luce completamente nuova su tutta la fisica, dalla meccanica quantistica alla teoria della relatività, risolvendo molti apparenti "paradossi" di queste teorie. Nelle pagine di questo appassionante saggio Seife ci mostra anche come la portata rivoluzionaria della teoria dell'informazione non si limiti alla fisica ma abbracci anche la biologia e le neuroscienze, aiutandoci a comprendere cosa sia la vita e come funzioni la nostra mente. Considero questo libro per la sua originalità e la sua profondità uno dei migliori libri di divulgazione scientifica che io abbia mai letto. Per chi fosse interessato, ecco il link alla pagina di amazon del libro.

La seconda lettura che vi consiglio è "Odissea nello zeptospazio. Un viaggio nella fisica dell'LHC" di Gian Francesco Giudice, fisico teorico delle particelle presso il CERN di Ginevra. Questo scorrevole saggio è una guida chiara e comprensibile per apprezzare le scoperte scientifiche che avranno luogo presso l'LHC, prima tra tutte l'eventuale scoperta del famigerato "bosone di Higgs" (di cui proprio in questi giorni si stanno avendo i primi indizi). Il professor Giudice ci guida in questo libro in un affascinante viaggio nel mondo della fisica delle particelle e ci fa conoscere le stupefacenti innovazioni tecnologiche che sono state necessarie per realizzare il più grande esperimento scientifico di sempre. Qui il link alla pagina del libro.

Il terzo saggio che vi consiglio è "On Intelligence" di Jeff Hawkins e Sandra Blakeslee (di cui potete vedere la copertina nell'immagine in alto). Di questo libro, in cui il neuroscienziato Jeff Hawkins espone la sua interessantissima ed innovativa teoria del funzionamento del cervello, abbiamo già parlato in un post precedente, che vi invito a consultare per saperne di più sull'argomento. Se l'inglese non vi spaventa troppo (purtroppo, per quanto ne so, non è mai stato tradotto in italiano) e la domanda "come funziona il cervello?" vi interessa, non potete davvero farvi sfuggire questo libro che costituisce una splendida e originale introduzione alle neuroscienze e all'intelligenza artificiale. Linko qui la pagina di amazon di "On Intelligence"

L'ultimo libro che voglio consigliarvi oggi è, come il precedente, disponibile solo in inglese; si tratta di "The Machinery of Life" del biochimico David Goodsell. Questo saggio, oltre ad essere un ottimo, e peraltro raro, esempio di divulgazione delle biologia molecolare, è perfetto per chi di voi ha apprezzato i precedenti post sulla visualizzazione scientifica dei "mondi molecolari" presenti all'interno delle nostre cellule. L'autore infatti è uno dei pionieri della visualizzazione scientifica in biologia, al suo lavoro, infatti ho intenzione di dedicare, in futuro, un post. "The Machinery of Life" è un viaggio nel microscopico mondo delle macchine molecolari che operano nelle cellule viventi; nel testo vari tipi di cellule e biomolecole sono presentate ai lettori facendo uso di una serie di bellissimi acquerelli scientificamente accurati. Ecco il link della pagina di Amazon del libro, per vedere alcune delle immagini del libro potete visitare la homepage del professor Goodsell.

Buon Natale e buona lettura allora! ;)

Il chip che imita il cervello - Hardware neuromorfico

Ho già parlato di "hardware neuromorfico", cioè di circuiti integrati dotati di componenti pensate per imitare il funzionamento di neuroni e sinapsi, nel precedente post "Tre strade per costruire una macchina pensante" (che avevo pensato proprio come un'introduzione a ciò che state per leggere).

Nei giorni scorsi, ricercatori dell'MIT hanno compiuto un passo importante in questo campo riuscendo a realizzare dei chip in grado di imitare il modo in cui le reti di neuroni biologici rispondono e si adattano quando entrano in contatto con nuovi pattern di informazione. Il fenomeno in questione è detto "plasticità neurale" e gioca un ruolo fondamentale in tutte le funzioni cognitive superiori, incluso l'apprendimento e la memoria.
Il chip realizzato dagli scienziati americani è stato progettato in modo che gruppi di transistor possano imitare l'attività dei diversi tipi di canali ionici presenti sui neuroni. Con circa 400 transistor, invece, è possibile simulare sui chip di silicio l'attività di una singola sinapsi.
Sono presenti circa 100 miliardi di neuroni in un cervello umano, ognuno di questi si collega tramite sinapsi a numerosi altri. Le sinapsi sono il punto di contatto tra le pareti cellulari di due neuroni; qui l'impulso nervoso viene trasmesso da un neurone all'altro grazie a particolari sostanze dette neurotrasmettitori (come ad esempio il glutammato o il GABA). Queste, rilasciate dal neurone presinaptico, vanno a legarsi su specifici recettori posti sulla membrana dell'altro (neurone postsinaptico), provocando un cambiamento del potenziale elettrico ai capi della sua membrana cellulare. Il cambiamento del potenziale può innescare l'apertura di canali ionici voltaggio-dipendenti (come quelli di cui parlavamo in questo post), dando il via ad una brusca diminuzione della differenza di potenziale ai capi della membrana (detta depolarizzazione) che propaga l'impulso nervoso al resto del neurone postsinaptico. In questo caso si dice che il neurone in cui avviene la depolarizzazione "spara".
Tutta l'attività sinaptica dipende dai canali ionici, è chiaro quindi quanto sia importante poterne riprodurre il comportamento per ottenere chip neuromorfici biologicamente realistici.
"Ora siamo in grado di regolare finemente i parametri dei circuiti per riprodurre le caratteristiche di specifici canali ionici ed arrivare ad imitare quasi qualunque processo ionico che avviene nei neuroni" ha affermato uno dei ricercatori coinvolti nello studio. In precedenza si era in grado di simulare lo "sparo" dei neuroni e la propagazione dell'impulso nervoso ma non tutte le circostanze che possono esserne all'origine.
Il chip realizzato rappresenta un "significativo miglioramento nello sforzo di incorporare ciò che sappiamo sulla biologia dei neuroni e sulla plasticità sinaptica in un circuito CMOS (acronimo di complementary metal-oxide semiconductor, un tipo di tecnologia utilizzata in elettronica per la progettazione di circuiti integrati)". Secondo Dean Buonomano, professore di neurobiologia all'università della California a Los Angeles, "il livello di realismo biologico è impressionante".

I ricercatori dell'MIT pensano di utilizzare il chip per studiare numerose funzioni cerebrali, come ad esempio il riconoscimento visivo, senza dover ricorrere a costose simulazioni su supercomputer. Un'altra interessante applicazione del dispositivo è come interfaccia neurale, ad esempio per la realizzazione di retine artificiali, o come neuroprotesi. Inoltre, in un futuro forse non troppo lontano,
questi chip neuromorfici potrebbero diventare i "mattoni" con cui costruire una "macchina pensante" del tipo di quelle di cui parlavamo nello scorso post.

Tre strade per costruire una macchina pensante

Abbiamo già parlato in post precedenti di alcuni progetti, al momento in corso, che mirano a realizzare un vero e proprio "cervello artificiale"; un computer che funzioni secondo gli stessi principi di funzionamento del nostro cervello. Una cosa che non abbiamo detto è, però, che ci sono almeno tre approcci notevolmente diversi alla creazione di una simile macchina pensante.

Il primo, che potremmo definire "di forza bruta", è quello attuato da Hanry Markhram con il suo Blue Brain Project: utilizzare potentissimi supercomputer per simulare un intero cervello a partire dai singoli neuroni. Questo approccio pur presentando numerosi vantaggi ed un enorme interesse scientifico (ad esempio come strumento di ricerca neurobiologica) è decisamente inefficiente dal punto di vista energetico e delle risorse di calcolo.
Per capire il perché è sufficiente dare un'occhiata alle grandezze in gioco.
Per simulare in questo modo un cervello umano servirà un supercomputer con una potenza di calcolo di decine di miliardi di megaflops (i flops, o FLoating point Operations Per Second, sono il numero di operazioni in virgola mobile eseguite in un secondo da un calcolatore), che per il suo funzionamento consumerà probabilmente decine di milioni di watt di potenza (il consumo medio di qualche decina di migliaia di abitazioni). Un supercomputer computer del genere dovrebbe essere disponibile entro una decina d'anni, tuttavia se si pensa che al cervello umano per esibire tutte le sue peculiari proprietà bastano circa 2 miliardi di megaflops e 20 watt di potenza diventa chiaro quanto poco efficiente sia simularne il funzionamento basandosi su una architettura di calcolo classica.
E' probabile che questo tipo di simulazioni rimarranno sempre, almeno per alcuni scopi, le più utili, tuttavia realizzare sistemi di intelligenza artificiale neuroispirati "portatili", come ad esempio quelli per la robotica, con questo metodo non sarà una strada praticabile per molto tempo (almeno fino a quando non si saranno concretizzate le promesse più estreme della nanotecnologia molecolare).
E' proprio per ovviare a tutti i lati negativi del metodo "simulazione diretta" e soddisfare queste diverse esigenze che sono stati pensati gli altri due approcci.

Il secondo è ben rappresentato, ad esempio, dal lavoro di Jeff Hawkins o Deleep George (di cui abbiamo già parlato qui) e consiste nel cercare di carpire dagli studi neuroscentifici la vera "essenza" di ciò che fa il cervello dal punto di vista computazionale, tralasciando i "dettagli neurobiologici" inessenziali (e risparmiando quindi molta capacità di calcolo ed energia). In altre parole trovando "l'algoritmo corticale" di cui parla Hawkins non sarebbe più necessario simulare un cervello nei minimi dettagli per ottenere una macchina dotata di intelligenza e pensiero umano. Infatti basterebbe far "girare" questo "algoritmo dell'intelligenza" direttamente su un computer per ottenere una intelligenza artificiale di livello umano; proprio come per simulare le proprietà di processamento dell'informazione di un circuito non è necessario simularlo a partire dagli atomi che lo costituiscono ma basta disporre di una sua schematizzazione, in altre parole di un modello matematico del suo funzionamento.

Il terzo approccio consiste invece nella creazione di "hardware neuromorfico" cioè di circuiti integrati che implementino direttamente nella loro struttura fisica l'architettura del sistema nervoso tramite componenti progettate per imitare le funzioni di neuroni e sinapsi. La vera sfida in questo caso è l'accuratezza biologica, questa è chiaramente più difficile da ottenere nel realizzare un sistema fisico piuttosto che una simulazione virtuale. Nonostante le difficoltà che presenta questo approccio, in caso di riuscita si avrebbe sicuramente un sistema molto efficiente economico e compatto, quindi perfetto per gli usi "portatili" cui si accennava prima. In questo settore, di evidente rilevanza strategica è in corso una vera e propria corsa tecnologica tra l'Europa con il progetto BrainScales e gli Stati uniti con il progetto SyNAPSE della DARPA in collaborazione con la IBM.

Ciò che vi ho appena raccontato vuole essere una introduzione ad un altro post che pubblicherò a breve, in cui vi parlerò di un importante passo avanti compiuto di recente da ricercatori dell'MIT proprio nel campo dei chip neuromorfici. Restate in ascolto per il resto della storia! ;)

Connettomica – Costruire una mappa della mente

Vi segnalo che oggi è stato pubblicato su FuturoProssimo un mio articolo sulla connettomica, la scienza, ancora neonata, della mappatura delle connessioni cerebrali... Ne avevamo già parlato in altri post e in particolare in "I am my connectome - Io sono il mio connettoma" dove vi ho mostrato una conferenza del professor Sebastian Seung sull'argomento.
Se volete saperne di più sugli sviluppi e le prospettive di questa affascinante avventura scientifica, ecco il link all'articolo...

Spiegare la coscienza

Nella conferenza che vi voglio mostrare con questo post, Daniel Dennett, filosofo e logico statunitense, da sempre studioso del funzionamento della mente, cerca di diradare i pregiudizi, largamente diffusi, riguardo alla possibilità di spiegare scientificamente la coscienza e l'esperienza soggettiva.

Nel video Dennet ci vuole mostrare come, nonostante ci si creda tutti in qualche modo "esperti" di coscienza per il solo fatto di possederla, si possa essere facilmente ingannati da trucchi ed illusioni ottiche. Queste mettono in luce quanto, a dispetto di quello che crediamo, si sia poco consapevoli di cosa questa sia e di come essa si generi.
E' questa l'illusione su cui germoglia e prospera la convinzione filosofica detta "dualismo cartesiano", che vede il "piano fisico" nettamente separato da un etereo "piano mentale", che spesso rende diffidente il grande pubblico nei confronti degli sforzi scientifici che mirano a "spiegare la mente". Oggi gli sviluppi delle neuroscienze mostrano in modo sempre più palese quanto sia fallace ed insostenibile questa convinzione che, nonostante tutto, come tutti i pregiudizi, è decisamente "dura a morire".
Per approfondire questi argomenti consiglio la lettura di "Sweet Dreams", un bel saggio in cui Dennett mostra come la filosofia finisca spesso per ostacolare lo sviluppo di una scienza della coscienza. Con l'ironia che lo contraddistingue, l'autore passa in rassegna molti dei più noti argomenti filosofici, smontandoli passo dopo passo sulla scorta sia delle conquiste delle scienze cognitive sia di numerosi trucchi ed illusioni ottiche, per mostrare come la coscienza non sia un "mistero" da sacralizzare ma un oggetto di studio da indagare scientificamente.

La conferenza che state per vedere è stata filmata nella stessa occasione di quella di Jeff Hawkins che è stata argomento di un post precedente. Alla fine del suo discorso Dennett, citando proprio Hawkins, sottolinea l'importanza e la necessità di sviluppare vere e proprie "teorie del cervello" del tipo di quella proposta dal neuroscienziato nel suo precedente intervento.

Prima di lasciarvi alla visione del video voglio riproporvi le parole di Enrico Bellone, fisico, filosofo della scienza e direttore del mensile "Le Scienze" per molti anni, recentemente scomparso:

"[Esiste] una convinzione che è popolare in gran parte della filosofia e del senso comune, e che colloca gli umani in una posizione privilegiata rispetto agli altri corpi viventi […] Essa sostiene […] che solo gli umani possiedono una mente immateriale – una variante dell'anima – dove alloggiano le idee […] Le idee, quindi, formerebbero quel mondo spirituale che indichiamo con il nome cultura e al quale solo gli umani possono accedere […] Il mentalismo non è tuttavia in grado di rispondere ai quesiti più elementari che si presentano a chiunque seriamente accetti la distinzione tra mente e corpo […] Dire che la mente è misteriosamente in grado di regolare il corpo equivale insomma a dire che un arcangelo è misteriosamente in grado di regolare l'orbita di Marte. Il mentalismo, quindi, va lasciato ai mistici...
Nel respingere il mentalismo si abbandona anche l'illusione che l'uomo sia la misura di tutte le cose […] Ma nel negare questa illusione antropocentrica non si compie un'operazione di svilimento della nostra specie. Al contrario, si coglie la bellezza dell'attività conoscitiva che si produce negli umani e negli altri corpi viventi, tutti insieme indaffarati nelle loro specifiche azioni di adattamento all'ambiente che li ospita."

Questi passaggi sono tratti da: "Molte nature. Saggio sull'evoluzione culturale", Raffaello Cortina Editore, Milano 2008. Nota: nei sottotitoli del video è erroneamente trascritta la parola "truci" al posto di "trucchi".

Un interruttore di luce per i neuroni

Controllare selettivamente l'attività dei neuroni nel cervello semplicemente illuminandoli con luce di una certa lunghezza d'onda.
E' proprio questo ciò che sono in grado di fare ricercatori come Ed Boyden, professore di neuroscienze all'MIT, grazie alla tecnica chiamata "optogenetica".
Il video che vi propongo in questo post è una conferenza TED in cui il neuroscienziato americano illustra il suo pionieristico lavoro.

Ed Boyden, fisico ed ingegnere di formazione, è professore presso il dipartimento di bioingegneria dell'MIT e ricercatore presso il "McGovern Institute for Brain Research" sempre all'MIT ed è riconosciuto, insieme a Karl Deisseroth dell'università di Stanford, come uno dei "padri fondatori" dell'optogenetica.
Questa tecnologia si basa su una proteina del gruppo delle "opsine" chiamata "canalrodopsina-2", questa molecola, che si trova come fotorecettore nelle alghe verdi, si comporta da canale ionico fotoattivabile: quando della luce viene assorbita dalla proteina questa cambia la sua conformazione permettendo un passaggio di ioni attraverso la membrana cellulare sulla quale si trova. Tutto ciò provoca un cambiamento del potenziale elettrico tra i due lati della membrana e questo può dare il via alla partenza di un impulso nervoso (è questo il meccanismo che consente all'alga di "sentire" la luce tramite la canalrodopsina).
La tecnica ideata da Boyden e Deisseroth consiste nell'inserire nel codice genetico dei neuroni dei topi soggetti dei loro esperimenti il gene dell'alga verde che codifica per la produzione della canalrodopsina-2. Questo è possibile usando un metodo analogo a quello su cui si basa la così detta "terapia genica", cioè infettando i neuroni con virus ingegnerizzati in modo da inserire i nuovi geni all'interno del DNA delle cellule.
Una volta che i neuroni esprimono sulla loro membrana le proteine fotosensibili è sufficiente illuminarli tramite una fibra ottica impiantata nel cranio delle cavie per inibire o stimolare la partenza di impulsi nervosi dai singoli neuroni.

Questo metodo, che fin dalla sua invenzione, nel 2005, è stato largamente adottato dai neuroscienziati come strumento di ricerca, presenta anche vastissime potenzialità terapeutiche. Grazie al livello di controllo del cervello senza precedenti raggiungibile grazie all'optogenomica, proprio Ed Boyden è stato in grado di curare dei topi affetti dall'analogo murino del disturbo post traumatico da stress e certe forme di cecità. Nel campo delle neuroprotesi questa tecnologia ha realmente grandi prospettive.

Per quanto riguarda le applicazioni, molto interessante è anche la brevissima sessione finale di domande e risposte, in cui vengono chiaramente sottolineate le enormi implicazioni di una tecnica di manipolazione dei neuroni come quella messa a punto da Boyden.
Questa, infatti, mette a portata di mano l'indispensabile verifica sperimentale dei modelli quantitativi della funzione cerebrale prodotti dalle neuroscienze teoriche e computazionali (di cui abbiamo parlato in un recente post). Inoltre, poter attivare selettivamente i neuroni con la luce, non solo permetterà capire meglio in codice neurale (cioè il modo in cui l'attività dei neuroni codifica pensieri emozioni ecc...), ma potrebbe anche portare alla realizzazione di veri e propri "co-processori neurali" in grado di "uploadare" o "downloadare" contenuti mentali direttamente nei cervelli.

Tutto questo era fantascienza fino a pochi anni fa’, ma oggi, con i passi da gigante che le neuroscienze stanno compiendo, comincia a divenire realtà. Come si era già detto in un post precedente, citando proprio il professor Boyden: "stiamo entrando in un rinascimento neurotecnologico nel quale gli strumenti a disposizione per comprendere e reingegerizzare il cervello e le sue funzioni si stanno espandendo sia in ampiezza che in profondità ad una velocità senza precedenti".
Con questo non mi resta che lasciare la parola a Boyden.

Buona visione!

On Intelligence - Come funziona il cervello

Come funziona il cervello?

Questa è sicuramente una delle domande più fondamentali a cui sta cercando di rispondere la scienza moderna.
Come dicevo già in un post precedente, nel corso degli anni i neuroscienziati hanno accumulato una immensa mole di dati di tutti i tipi sul cervello e sul suo funzionamento. Ciò che è sempre mancato alle neuroscienze e che solo da pochi anni sta emergendo è un quadro complessivo di riferimento, una vera e propria "Teoria del Cervello".
Tuttavia le neuroscienze teoriche e computazionali sono, oggi, un settore in rapidissima crescita. Progetti come il Blue Brain Project (di cui abbiamo già parlato) stanno cercando di rispondere a questa necessità di organizzare i dati sperimentali in un modello teorico quantitativo costruendo una accurata simulazione dell'intero cervello umano.
Un altro interessantissimo approccio che cerca di offrire un quadro di riferimento alla ricerca neuroscientifica è ciò di cui vi voglio parlare in questo post. Il "Memory-prediction framework" è una teoria della funzione cerebrale ideata dall'ingegnere e neuroscienziato americano Jeff Hawkins che ha avuto - e sta avendo tutt'ora - notevoli ripercussioni su tutta la ricerca neuroscientifica. La teoria è esposta in modo divulgativo nello splendido saggio, pubblicato nel 2004, "On Intelligence" (di cui consiglio vivamente la lettura).

La teoria propone che la notevole uniformità anatomica del tessuto neocorticale, presente anche tra aree del cervello coinvolte nella più diversa gamma di attività cognitive, rifletta la presenza di un unico "algoritmo corticale" alla base di tutte le attività di elaborazione dell'informazione nel cervello.

La neocorteccia è composta di 6 fogli o strati che operano come livelli funzionali distinti di elaborazione dell'informazione ad un livello di "astrazione" crescente; il primo strato processa schemi di attività neurale che codificano informazione sensoriale relativamente "grezza", i livelli successivi processano schemi di attività a scala più vasta provenienti dai livelli sottostanti in base agli stati di attivazione dei livelli gerarchici che li sovrastano. Operando secondo il principio computazionale di base a cui si accennava prima il cervello sarebbe quindi costantemente impegnato nel confrontare gli imput in arrivo dal sistema nervoso periferico (e quindi dai sensi) ai livelli più bassi della gerarchia corticale con le previsioni in arrivo dai livelli più alti della gerarchia stessa.
Il continuo confronto tra queste previsioni basate sulla memoria di passate sequenze temporali di schemi di attivazione neurale, e gli schemi di attivazione provenienti dal basso della gerarchia sarebbe ciò che fa emergere l'intelligenza tipica dell'uomo.
E' proprio per sottolineare l'importanza della memorizzazione e predizione di schemi di attività neurale nel funzionamento del cervello e dell'intelligenza che la teoria è stata battezzata col nome di "Memory-prediction framework".

L'idea proposta da Hawkins considera il cervello come un sistema di memoria gerarchica anticipatoria; questa visione, in effetti, trova ormai una larga diffusione e accettazione da parte dell'intera comunità neuroscientifica.

La teoria di Hawkins promette di trasformare il campo dell'intelligenza artificiale e sta avendo già le prime applicazioni pratiche. Numenta, la società fondata da Hawkins per commercializzare le ricadute pratiche del suo lavoro, sta per lanciare i primi programmi basati sull'algoritmo "Hierarchical temporal memory" (HTM) ("memoria temporale gerarchica"), ispirato all'"algoritmo corticale".
Anche Dileep George, allievo di Hawkins, ha fondato la Vicarious Systems e si prepara mettere sul mercato prodotti basati sui principi computazionali della neocorteccia.

Spiegare chiaramente e in poche righe la teoria di Hawkins non è davvero cosa facile, tuttavia credo che per il suo grande interesse e la sua capacità di gettare veramente una nuova luce sul funzionamento della mente questa meriti davvero di essere divulgata. E' per questo che mi riservo in futuro di pubblicare altri post su questo argomento, spiegando magari la teoria un po’ più nel dettaglio.

In conclusione, oltre a raccomandarvi ancora una volta la lettura di "On Intelligence" voglio mostrarvi questa bella conferenza TED, registrata nel 2003, in cui lo stesso Hawkins presenta il proprio approccio alle Neuroscienze.



Per chi volesse approfondire l'argomento in rete è disponibile sul sito di Numenta un documento (in inglese) di presentazione dell'algoritmo HTM che espone in modo divulgativo alcuni aspetti del memory prediction framework per poi entrare più nel dettaglio tecnico. Sempre per approfondire l'argomento da un punto di vista meno divulgativo è disponibile online la tesi di Dottorato a Stanford di Dileep George in cui si parla sempre dell'HTM.