Ottenuto un odore artificiale, ‘dialoga’ con il cervello: nuove prospettive per le neuroscienze e la riparazione del sistema nervoso

I ricercatori hanno ottenuto un importante risultato sulla strada per la comprensione del linguaggio del cervello e la loro scoperta potrebbe gettare le basi per ricerche sul ripristino delle funzionalita’ di un sistema nervoso danneggiato. Un team di ricerca dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in collaborazione con la New York University e’ riuscito per la prima volta a trasmettere un odore artificiale direttamente alle cellule nervose del bulbo olfattivo, una delle zona del cervello dove viene elaborato il senso dell’olfatto. Lo studio, pubblicato sulla rivista internazionale Science, è stato svolto nell’ambito della prestigiosa Brain Initiative finanziata dalla agenzia statunitense NIH (National Institute for Health), che promuove lo sviluppo di nuove tecnologie per comprendere i meccanismi di funzionamento dei circuiti neuronali.

Il team di ricerca dell’Istituto Italiano di Tecnologia guidato da Stefano Panzeri, coordinatore del Centro IIT di Neuroscienze e Scienze Cognitive di Rovereto e responsabile del laboratorio Neural Computation, mediante l’utilizzo di algoritmi di machine learning, ha sviluppato modelli matematici in grado di interpretare e tradurre la lingua delle cellule nervose legate alla percezione degli odori, riuscendo cosi’ a comprendere come il cervello elabora lo stimolo olfattivo.

Per gli esperimenti, svolti dal gruppo di ricerca della New York University, e’ stato utilizzato un odore artificiale realizzato con il modello matematico sviluppato dai ricercatori IIT che e’ poi stato trasmesso alle cellule nervose del bulbo olfattivo di un modello animale utilizzando tecniche di optogenetica, una metodica che permette di accendere e spegnere, tramite la applicazione di piccoli fasci luminosi sul tessuto cerebrale, i neuroni responsabili dell’analisi dell’informazione sensoriale. Tale stimolo virtuale e’ stato tradotto in sequenze temporali e spaziali di luce e, agendo su queste variabili, i ricercatori sono riusciti a creare una sensazione virtuale modulando i segnali olfattivi trasmessi al cervello, anche in assenza di odori reali presenti all’esterno.

È la prima volta in cui è stato possibile “parlare” direttamente al cervello ricevendo un riscontro concreto sulla comprensione del messaggio. In precedenza si erano solo ipotizzati i meccanismi che il cervello usa per processare l’informazione olfattiva “ascoltando” le cellule nervose. “Il nostro team ha fornito gli strumenti matematici per decodificare il codice neurale, generando una formula matematica che spiega come il cervello combina l’attivita’ 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. “Fino ad ora sono state utilizzate per comunicare con le cellule nervose solo porzioni dell’alfabeto della loro lingua separatamente. In pratica si e’ 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.

A breve termine, questo studio fornisce strumenti fondamentali per la ricerca nell’ambito delle neuroscienze. In particolare, il lavoro dei ricercatori IIT permettera’ di aiutare a capire i malfunzionamenti del sistema nervoso “dialogando” con una parte del cervello per capire come funziona o perche’ non funziona. A lungo termine, invece, i risultati dello studio aprono la strada alla riparazione degli organi di senso danneggiati mediante interfacce artificiali e protesi nervose che potranno dialogare efficacemente con il cervello.