Gli scienziati hanno individuato una forma unica di comunicazione cellulare che avviene nel cervello umano, svelando così quanto ancora ci sia da scoprire sui suoi enigmatici meccanismi interni. Questa scoperta entusiasmante suggerisce che i nostri cervelli potrebbero essere delle unità di calcolo ancora più potenti di quanto si pensasse in precedenza.
Nel corso del 2020, un team di ricercatori provenienti da istituti in Germania e Grecia ha identificato un meccanismo presente nelle cellule corticali esterne del cervello che genera un segnale “graduato” del tutto nuovo. Questo segnale potrebbe offrire ai singoli neuroni un’altra modalità per svolgere le proprie funzioni logiche.
Attraverso la misurazione dell’attività elettrica in sezioni di tessuto prelevate durante interventi chirurgici su pazienti affetti da epilessia e l’analisi della loro struttura tramite microscopia fluorescente, i neurologi hanno scoperto che le singole cellule nella corteccia cerebrale utilizzano non solo ioni di sodio per generare impulsi, ma anche ioni di calcio. Questa combinazione di ioni carichi positivamente ha prodotto onde di tensione mai osservate prima, definite potenziali d’azione dendritici mediati dal calcio, o dCaAPs.
I cervelli, soprattutto quelli umani, vengono spesso paragonati ai computer. Sebbene l’analogia abbia i suoi limiti, su alcuni aspetti i due svolgono compiti in modi simili. Entrambi utilizzano l’energia di una corrente elettrica per eseguire varie operazioni. Nei computer, si tratta di un flusso lineare di elettroni attraverso transistor. Nei neuroni, invece, il segnale si manifesta attraverso un’onda di apertura e chiusura di canali che scambiano particelle cariche come sodio, cloruro e potassio. Questo flusso di ioni in movimento è noto come potenziale d’azione.
Al contrario dei transistor, i neuroni gestiscono questi messaggi chimicamente all’estremità dei rami chiamati dendriti. I dendriti rivestono un ruolo fondamentale nella comprensione del cervello poiché sono al centro di ciò che determina la potenza computazionale dei singoli neuroni, come spiegato dal neuroscienziato dell’Università di Humboldt, Matthew Larkum, durante un intervento presso l’Associazione Americana per il Progresso della Scienza a gennaio 2020.
I dendriti possono essere paragonati ai semafori del nostro sistema nervoso. Se un potenziale d’azione è sufficientemente significativo, può essere trasmesso ad altri neuroni, che a loro volta possono bloccare o trasmettere il messaggio. Questo costituisce il fondamento logico del nostro cervello, con onde di tensione che possono essere comunicate collettivamente in due forme: un messaggio AND (se x e y sono attivati, il messaggio viene trasmesso) o un messaggio OR (se x o y sono attivati, il messaggio viene trasmesso).
La sezione esterna del sistema nervoso centrale umano, la corteccia cerebrale, rappresenta uno degli ambienti più complessi in cui si manifestano queste dinamiche. I suoi strati più profondi, secondo e terzo, sono particolarmente spessi e ricchi di rami che svolgono funzioni di alto ordine legate a sensazioni, pensiero e controllo motorio.
È da questi strati che i ricercatori hanno condotto le loro indagini, collegando le cellule a un dispositivo chiamato patch clamp somatodendritico per inviare potenziali attivi su e giù per ogni neurone, registrandone i segnali. Larkum ha raccontato di un momento “eureka” quando hanno osservato per la prima volta i potenziali d’azione dendritici.
Per confermare che le scoperte non fossero limitate alle persone con epilessia, i ricercatori hanno ripetuto i test su campioni prelevati da tumori cerebrali. Sebbene il team avesse condotto esperimenti simili su ratti, i tipi di segnali osservati nelle cellule umane erano molto diversi. Inoltre, bloccando i canali del sodio con un agente chiamato tetrodotossina, hanno comunque rilevato un segnale. È stato solo bloccando il calcio che tutto è diventato silenzioso.
La scoperta di un potenziale d’azione mediato dal calcio è di per sé affascinante. Tuttavia, modellare il funzionamento di questo nuovo tipo di segnale sensibile nella corteccia cerebrale ha portato a una sorpresa. Oltre alle funzioni logiche AND e OR, i singoli neuroni potevano agire come “esclusivi”, consentendo un segnale solo quando un altro segnale era graduato in modo specifico, un’operazione nota come XOR.
È necessario condurre ulteriori ricerche per comprendere appieno come si comportano i dCaAPs su interi neuroni e all’interno di un organismo vivente. È ancora da stabilire se questa caratteristica sia esclusiva degli esseri umani o se meccanismi simili si siano evoluti altrove nel regno animale.
Anche la tecnologia si sta ispirando al nostro sistema nervoso per sviluppare hardware più avanzato; la consapevolezza che le nostre singole cellule abbiano ancora delle sorprese potrebbe portare a nuovi modi di connettere i transistor. Come questo nuovo strumento logico si integri in una singola cellula nervosa e si traduca in funzioni superiori è una domanda che spetta ai futuri ricercatori rispondere.
Lo studio è stato pubblicato su Science. Una versione precedente di questo articolo è stata diffusa a gennaio 2020.
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