Lo scienziato dell'Ottocento che ha anticipato il neuroimaging

Se volete sentirvi piccoli e insignificanti, potete ammirare un cielo stellato una di quelle sere in cui si riesce a scorgere la Via Lattea — oppure, esaminare una fettina di materia cerebrale ingrandita al microscopio. La meraviglia suscitata dai corpi celesti che attraversano l'universo è superata solamente dall'ammasso molliccio di neuroni e sinapsi che popolano un cranio umano. Ma davvero tutto il mio essere — i miei ricordi confusi, i miei tic, le mie ansie, la mia capacità di comportarmi bene o in modo spregevole — è contenuto all'interno di questa poltiglia di carne elettrificata?

Santiago Ramón y Cajal è stato uno dei primi ricercatori a esplorare i percorsi tortuosi della mente. Il premio Nobel spagnolo ha prodotto quasi 3.000 disegni anatomici del cervello a livello microscopico e, anche a un secolo di distanza, queste sconvolgenti illustrazioni danno ancora forma alla nostra comprensione della misteriosa materia grigia. Infatti, Cajal rimane lo 'scienziato classico' più citato nella storia.

Le lunghe ore di lavoro al microscopio, sommate a quella che lui stesso ha definito "un'irresistibile passione per gli scarabocchi," hanno portato Cajal a produrre centinaia di schizzi dettagliati di neuroni, neuroglia e tutti gli altri elementi microscopici che si agitano all'interno dei nostri crani. Queste illustrazioni sono raccolte in un nuovo libro, The Beautiful Brain, pubblicato quest'anno. Il testo ripercorre la storia della vita di Cajal e mette in evidenza le sue importanti scoperte. Sfogliare queste pagine è un po' come visitare direttamente il suo laboratorio.

Cajal era uno studioso, artigiano, autore di oltre 100 articoli scientifici, per non parlare delle opere di fantascienza che ha pubblicato sotto il nickname "Dr. Bacteria." Affascinato dal processo chimico della fotografia, Cajal era anche un fotografo prolifico che aveva ideato da solo una serie di tecniche di elaborazione del colore nelle immagini.

Ma Cajal è conosciuto soprattutto per i suoi intricati disegni del cervello. Queste opere hanno favorito la nostra comprensione del sistema nervoso e, probabilmente, il suo più grande contributo scientifico è avere ispirato la dottrina del neurone — secondo la quale, il sistema nervoso è tenuto assieme dalle singole cellule che lo compongono.

Contrariamente a quanto creduto all'epoca, il sistema nervoso non è una rete unica, autonoma e continua. È composto da neuroni discreti, un tipo di cellula che trasmette impulsi chimici ed elettrici da una sua estremità fino a quella di un neurone vicino. Un neurone riceve questi segnali attraverso i suoi dendriti ramificati e li invia attraverso una formazione di maggiore lunghezza chiamata assone — i segnali vengono emessi dalla parte terminale dell'assone, attraverso una sezione chiamata scissione sinaptica per raggiungere i dendriti del neurone successivo. In altre parole, le attività del cervello sono il risultato dei singoli neuroni che compongono questa reazione a catena, come se questi "parlassero" gli uni con gli altri.

Solo negli anni Cinquanta, circa due decenni dopo la morte di Cajal, le sue intuizioni si sono rivelate corrette. Lo stesso intento della sua ricerca come dichiarato da lui era piuttosto poetico: "affermare che tutto comunica con tutto il resto equivale a dichiarare l'assoluta indiscutibilità dell'organo dell'anima," scriveva Cajal.

Alcune delle immagini di Cajal sono piuttosto grezze, come degli scarabocchi fatti su carta straccia. Ma, alla fine, questi disegni sono stati stampati in bianco e nero, eliminando le tracce di matita e la cera utilizzata per nascondere le imperfezioni. A volte, Cajal enfatizzava alcuni elementi per esporre le sue elaborate teorie o si spingeva addirittura a disegnare elementi non corrispondenti per dimostrare che la sua teoria era corretta.

"Il fatto che i disegni di Cajal restino ancora dei documenti così significativi anche un secolo dopo la loro creazione è dovuto almeno in parte alla sua vitalità che attinge alla fantasia e all'immaginazione più di quanto ci si possa aspettare in un progetto scientifico," scrivono Lyndel King ed Eric Himmel in The Beautiful Brain.

Cajal. Immagine: The Beautiful Brain

Cajal aveva a disposizione strumenti limitati ma, nonostante ciò, riusciva a raggiungere una comprensione profonda della materia. Come accennato, aveva anticipato il concetto del flusso di informazioni trasmesso tra circuiti neuronali. Esaminando dei neuroni piramidali danneggiati, giunse alla conclusione che il cervello, a differenza di altri tessuti nervosi, non può rigenerarsi. Inoltre, aveva anche capito che gli astrociti regolano le risposte elettriche dei neuroni, controllandone il grado di efficienza, una nozione che si è dimostrata corretta solo negli ultimi 20 anni.

Perfezionando il metodo di pregnazione cromoargentica ideato da Camillo Golgi, Cajal riusciva a a isolare e inscurire il tessuto nervoso al microscopio — perché è quasi impossibile distinguere i neuroni gli uni dagli altri. (Golgi e Cajal hanno condiviso un premio Nobel nel 1906.) Oggi possiamo usare virus della rabbia geneticamente modificati per tingere alcuni neuroni di rosso e altri di verde per identificare dei specifici circuiti neurali.

Questa tecnica è più specifica di Brainbow, uno strumento sviluppato di recente che manipola i geni della proteina verde fluorescente (GFP), scoperta in una medusa bioluminescente. Modificare la GFP consente ai ricercatori di colorare la materia cerebrale degli organismi viventi con circa 100 diversi colori fluorescenti, formando letteralmente un arcobaleno cerebrale che facilita lo studio delle relazioni neuronali.

Etichette transgeniche specifiche per le cellule in un topo.

Abbiamo fatto molta strada dai tempi di Angelo Mosso che, alla fine del 1870, ha inventato la prima tecnica di neuroimmaging, misurando la ridistribuzione del flusso sanguigno cerebrale. Oggi, una delle tecniche di neuroimaging più avanzate è la tomografia ad emissione di positroni (PET), che crea immagini 3D iniettando dei traccianti radioattivi nel sangue, misurandone i raggi gamma risultanti.

Il prossimo grande obiettivo delle neuroscienze è realizzare una mappa completa del cervello, altrimenti nota come connettoma. Come ha scritto un team di ricercatori in un articolo su Cell, "per la maggior parte, non sono note le relazioni precise tra le numerosi componenti cellulari del cervello." Per trasformare le immagini del cervello in un dataset estraibile, hanno sezionato il cervello di un topo in più di 10.000 sezioni spesse meno di 30 nanometri, che sono state poi scansionate da un microscopio elettronico per creare delle ricostruizioni 3D che mostrano anche le vescicole sinaptiche.

Per realizzare questi modelli computerizzati, si utilizza VAST, un "programma per la segmentazione e annotazione manuale degli spazi assistito dal computer." In altre parole, un programma di intelligenza artificiale che utilizza reti digitali neurali digitali per mappare le reti neurali fatte di carne — lo so, suona un po' "meta" anche a me.

Nonostante questo lavoro sia rivoluzionario — lo stato dell'arte del neuroimaging — è anche estremamente noioso. Non è stato ancora applicato ad un cervello umano e quindi non abbiamo ancora mappato completamente le sue relazioni interne. Nessuno sa quando riusciremo a realizzare una rappresentazione definitiva ma, recentemente, la Cina ha messo in piedi una "fabbrica del brain-imaging," il mese scorso, ha aperto l'International Brain Lab e continuano ad essere pubblicate ricerche pionieristiche ad un ritmo elevatissimo. Alla fine di ottobre, ad esempio, un team del Janelia Research Campus ha presentato MouseLight NeuronBrowser, la "mappa più estesa delle connessioni cerebrali di un topo mai realizzata."

Oggi, possiamo capire meglio il cervello di un secolo fa, ma come scrive Janet Dubinsky in The Beautiful Brain,"Non abbiamo ancora capito come il cervello, composto da tre chili d'acqua, altri liquidi, molecole e proteine possa eseguire così tanti calcoli individuali utilizzando così poca energia. Non comprendiamo appieno come il cervello crei la mente. Per molti versi, le questioni e gli obiettivi scientifici del XXI secolo rimangono gli stessi di Cajal: "chiarire il segreto della vita mentale."

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