Un recente studio del Complexity Science Hub (CSH) di Vienna apre la strada a una visione più approfondita della complessità del cervello umano, uno degli organi più grandi e sofisticati del corpo umano. Lo studio, che sviluppa un quadro matematico e computazionale per analizzare l’attività neurale in C. elegans, un minuscolo verme che è stato utilizzato come organismo modello per studiare l’attività neurale, è stato pubblicato venerdì sulla rivista Biologia computazionale PLoS.

L’organismo microscopico, costituito da appena 1.000 cellule, di cui 300 neuroni, è stato mappato con precisione, ma il ruolo dei neuroni nel controllo del comportamento rimane controverso, afferma Edward Lee, ricercatore post-dottorato presso il CSH e autore dell’articolo.

Basato sui recenti progressi nella misurazione dei neuroni nei vermi vivi, il nuovo studio propone un modo per smascherare i ruoli dei neuroni utilizzando perturbazioni più naturali.

“Nel lavoro, cerchiamo di essere più olistici, nel senso che prendiamo tutti i dati e cerchiamo di capire quali insiemi di neuroni appartengono insieme e sono associati a un particolare comportamento”, afferma Lee. “In altre parole, se voglio che il worm giri a sinistra, non mi interessa un neurone in particolare, probabilmente mi interessano più neuroni diversi”.

Sperimentazione con un semplice sistema neurale

Lee e il suo team studiano il verme come esempio poiché il suo semplice sistema neurale fornisce una solida base per comprendere i meccanismi del cervello degli animali superiori, come gli esseri umani. I ricercatori hanno sviluppato un modello matematico per l’attività neurale collettiva. Hanno quindi condotto un esperimento in silico con piccole perturbazioni neurali che possono innescare risposte comportamentali e possono essere replicate in una sperimentazione scientifica.

“L’idea è che se puoi, in un modello, spingere intorno a ciascuno dei neuroni in modi diversi, puoi misurare come cambia il comportamento. E se il comportamento cambia, ad esempio, più fortemente quando due neuroni vengono uniti, allora in qualche modo questi due neuroni formano un insieme e non sono indipendenti l’uno dall’altro”, spiega Lee.

Futura ricerca nelle neuroscienze

Lee afferma che i risultati indicano neuroni interessanti che possono essere utilizzati come punto di partenza per la ricerca neuroscientifica. Lo studio, che ha analizzato circa 50 neuroni nel sistema nervoso di C. elegans, suggerisce che ci sono una manciata di neuroni “fondamentali” associati a un’ampia risposta nelle statistiche. “Potrebbe essere una buona idea guardare quei neuroni”, dice Lee.

“Sapere che un neurone è implicato in un comportamento specifico non ti dice cosa fa. Alcuni dei risultati sperimentali non indicano che un neurone fosse necessariamente coinvolto in un comportamento in modo importante, per esempio”, dice Lee. Quando più neuroni sono coinvolti in un particolare comportamento, può essere interessante indagare su come funzionano insieme o l’uno contro l’altro.

Il documento pone diverse nuove ipotesi su come il controllo comportamentale potrebbe essere centralizzato in particolari cellule neurali. “Stiamo proponendo un quadro teorico per porre queste domande e fare previsioni”, conclude Lee, aggiungendo che spera che gli esperimenti rispondano a queste domande nei prossimi anni.

Lo studio, “Discovering sparse control strategy in neural activity”, di Edward D. Lee, Xiaowen Chen e Bryan C. Daniels, è pubblicato in Biologia computazionale PLoS.