Allan Jones: Una mappa del cervello

L'uomo è sempre stato affascinato dal cervello umano. Lo tracciamo, l'abbiamo descritto, l'abbiamo disegnato, l'abbiamo mappato. Proprio come la cartografia del mondo è stata fortemente influenzata dalla tecnologia - pensate a Google Maps, al GPS - la stessa cosa accade per la mappatura del cervello attraverso la trasformazione.

Diamo uno sguardo al cervello. Molte persone quando vedono un cervello fresco per la prima volta dicono: "È diverso da quello che di solito si vede quando qualcuno vi mostra un cervello". Di solito quello che vedete è un cervello fisso. È grigio. Questo strato più esterno è il sistema vascolare. Quello di un cervello umano è straordinario. Questi sono i vasi sanguigni. Il 20% dell'ossigeno proveniente dai polmoni, e il 20% del sangue pompato dal cuore sono al servizio di questo organo. Il cervello è praticamente un po' più grande di due pugni chiusi messi insieme.

Verso la fine del 20° secolo, gli scienziati appresero come monitorare il flusso sanguigno tracciando mappe non invasive per rilevare l'attività nel cervello umano. In tal modo si può vedere nell'area posteriore del cervello, proprio come si vede sullo schermo. Ecco il cervelletto, che vi tiene in posizione verticale. Mi permette di stare in piedi. È coinvolto nel movimento coordinato. Su questo lato c'è la corteccia temporale. L'area in cui si verifica il processo uditivo primario - così sentite le mie parole, che vengono inviate ai centri di elaborazione del linguaggio. Verso la parte anteriore del cervello si verifica il pensiero più complesso, il processo decisionale - ultimo a maturare in tarda età adulta. È qui che si svolgono tutti i processi decisionali. È il luogo in cui probabilmente in questo momento state decidendo che non ordinerete la bistecca a cena.

Guardando più da vicino il cervello, se lo si guarda in sezione trasversale, ciò che si nota è che qui non si riesce a vedere una grande struttura. Ma c'è n'è davvero tanta. Ci sono cellule e collegamenti interconnessi. Un centinaio di anni fa, alcuni scienziati inventarono un colorante per le cellule. Come vedete qui in azzurro. Potete vedere aree dove i corpi cellulari normali vengono colorati. Non è per niente uniforme. È molto più strutturato qui. La parte esterna del cervello è la neocorteccia. È un'unità di elaborazione continua. Inoltre, vedete che ci sono delle cose al di sotto. E in tutte queste aree in bianco ci sono le zone dove passano i collegamenti, e in cui si ha una minor densità di cellule. Ci sono circa 86 miliardi di neuroni nel nostro cervello. Come vedete, non sono distribuiti in maniera uniforme. Questa distribuzione contribuisce in realtà alla loro funzione di base. E naturalmente, come ho detto prima, poiché ora riusciamo a mappare le funzioni cerebrali, cominciamo a farle risalire alle singole cellule.

Diamo un'occhiata più approfondita. Osserviamo i neuroni. Come ho già detto, ce ne sono 86 miliardi. Ci sono anche queste cellule più piccole, come vedrete. Queste sono cellule di supporto - astrociti. E i nervi stessi ricevono l'input. Lo memorizzano e lo elaborano. Ogni neurone è collegato via sinapsi con altri 10.000 neuroni nel cervello. E ogni neurone è in gran parte unico. L'unicità di entrambi i singoli neuroni e dei neuroni all'interno di una zona del cervello sono determinati dalle proprietà fondamentali della loro biochimica di base. Queste sono proteine​​ ​​che controllano aspetti quali il movimento dei canali ionici. Controllano con quali cellule del sistema nervoso associarsi. Controllano praticamente tutto quello che deve fare il sistema nervoso.

Quindi, se ci avviciniamo ancora di più, tutte quelle proteine sono codificate dal nostro genoma. Ognuno di noi ha 23 coppie di cromosomi: uno dalla mamma e uno dal papà. E in questi cromosomi ci sono circa 25.000 geni codificati nel DNA. La natura di una determinata cellula che attiva la propria biochimica di base è determinata da quali di questi 25.000 geni vengono attivati e a quale livello si attivano.

Quindi il nostro progetto sta cercando di osservare questa lettura e di capire quale di questi 25.000 geni è attivato. Per intraprendere un progetto del genere abbiamo ovviamente bisogno di cervelli. Quindi abbiamo inviato i nostri tecnici alla ricerca di cervelli umani normali. Abbiamo iniziato nello studio di un medico legale, il luogo in cui vengono portati i cadaveri. Siamo alla ricerca di cervelli normali. Ci sono molti criteri per selezionarli. Vogliamo assicurarci che siano di essere umani normali tra i 20 e 60 anni deceduti per cause naturali, senza lesioni al cervello, nessun passato di malattie psichiatriche, né problemi di droga - facciamo un test tossicologico. E stiamo molto attenti ai cervelli che scegliamo. Selezioniamo anche dei cervelli da cui poter prelevare i tessuti. Possiamo ottenere il consenso di prelevarli entro 24 ore dal decesso. Perché ciò che cerchiamo di misurare, l'RNA - che è la lettura dei nostri geni - è molto labile, e quindi dobbiamo agire molto in fretta.

Una nota a margine sulla raccolta dei cervelli: a causa del modo in cui li otteniamo, e dato che abbiamo bisogno di consenso, abbiamo molti più cervelli maschili che femminili. I maschi hanno più probabilità di morire per un incidente nel fiore degli anni. E sono molto più propensi ad avere un partner, una moglie che ne dia il consenso piuttosto che il contrario.

(Risate)

Quindi la prima cosa che facciamo nel luogo di raccolta consiste nell'eseguire una RM, una risonanza magnetica - RMI. È un modello standard con cui introdurremo il resto dei dati. Abbiamo dunque la RM, simile a una visione satellitare della nostra mappa. Poi quello che facciamo è raccogliere la cosiddetta imaging del tensore di diffusione, che traccia la mappa del cablaggio cerebrale. E ancora, si può considerare come una mappatura delle nostre autostrade interstatali. Il cervello viene rimosso dal cranio, quindi tagliato in sezioni spesse un centimetro. Queste vengono congelate e inviate a Seattle. A Seattle le prendiamo - questo è un emisfero umano completo - e le mettiamo in una sorta di affettatrice. Qui c'è una lama che attraverserà una sezione del tessuto e la trasferirà sul vetrino del microscopio. Poi la coloreremo e la scansioneremo. Otteniamo così la nostra prima mappatura.

Qui entrano in gioco gli esperti che fanno le assegnazioni anatomiche di base. Potete considerare queste linee piuttosto spesse come i confini tra stati. Da questo, frammentiamo quel cervello in ulteriori parti che poi metteremo su un criostato più piccolo. E qui vi mostriamo - questo tessuto congelato che viene tagliato. Ha 20 micron di spessore, come i capelli di un bambino. Ricordate che è congelato. Vedete che qui usiamo la vecchia tecnologia del pennello. Prendiamo un vetrino da microscopio. Poi, con molta cura lo scongeliamo sul vetrino. Questo va poi ad un robot che applicherà uno di quei coloranti. E i nostri anatomisti andranno ad analizzarlo in dettaglio.

Questo è quello che si vede al microscopio. Potete vedere collezioni e configurazioni di cellule grandi e piccole in gruppi e punti diversi. E da lì è routine. Loro sanno cosa fare. Praticamente sono in grado di fare un atlante di riferimento. Questa è una mappa più dettagliata.

Poi i nostri scienziati usano questo per tornare a un altro pezzo di quel tessuto ed eseguono la cosiddetta microdissezione laser. Quindi il tecnico riceve le istruzioni, e loro delineano un punto. Poi il laser taglia. Vedete il taglio del punto blu. E quel tessuto si stacca. Si vede qui sul vetrino ciò che accade in tempo reale. Sotto c'è un contenitore che raccoglie il tessuto. Lo prendiamo, purifichiamo il suo RNA usando una tecnologia di base e applichiamo un'etichetta fluorescente. Prendiamo il materiale etichettato e lo mettiamo su quello che chiamiamo microarray.

A voi possono sembrare una serie di punti, ma ognuno di questi singoli punti è in realtà un pezzo unico del genoma umano che abbiamo individuato sul vetro. Questo contiene circa 60.000 elementi, e noi possiamo misurare ripetutamente vari geni tra i 25.000 geni del genoma. E quando prendiamo un campione e lo ibridiamo, otteniamo un'impronta unica che quantifica i geni attivati in quel campione.

Ripetiamo continuamente questo processo per ogni cervello a disposizione. Prendiamo oltre un migliaio di campioni di ogni cervello. Questa zona, qui, è l'ippocampo. È coinvolta nell'apprendimento e nella memoria. E contribuisce fino a circa 70 campioni di quelle migliaia di campioni. Così ogni campione ci dà circa 50.000 dati con misure ripetute, un migliaio di campioni.

Quindi abbiamo all'incirca 50 milioni di punti di dati per ogni cervello umano. Ora abbiamo i dati equivalenti a due cervelli umani. Abbiamo combinato tutto questo in una sintesi unica e vi mostrerò l'aspetto di questa sintesi. Si tratta di una grande quantità di informazioni gratuitamente a disposizione di ogni scienziato al mondo. Non serve registrarsi per usare questo strumento, analizzare i dati e trovare cose interessanti. Queste sono le modalità che abbiamo ideato. Le riconoscerete da quello che abbiamo raccolto prima. Ecco la RM che fornisce la struttura. A destra c'è un operatore che vi permette di ruotare, ingrandire, ed evidenziare singole strutture.

Ma la cosa più importante, è che ora facciamo le mappe di questa struttura anatomica, una struttura comune per comprendere dove vengono attivati i geni. Nei livelli rossi viene attivato un gene al massimo grado. Nel verde ci sono le zone fredde dove non è attivato. E ogni gene ci fornisce un'impronta digitale. Ricordate che abbiamo analizzato tutti i 25.000 geni del genoma e abbiamo tutti i dati disponibili.

Che cosa apprendono gli scienziati da questi dati? Noi stessi stiamo solo iniziando a studiare questi dati. Ci sono alcuni aspetti di base che vorremmo capire. Ottimi esempi sono due farmaci, il Prozac e il Wellbutrin, gli antidepressivi più comunemente prescritti. Ricordate che noi analizziamo i geni. I geni inviano le istruzioni per produrre proteine​​. Le proteine ​​sono i bersagli dei farmaci. I farmaci si legano alle proteine e le disattivano, ecc. Se volete comprendere l'azione dei farmaci, capire come agiscono in modo desiderato e anche in modo indesiderato, gli effetti collaterali, ecc., dovete guardare dove vengono attivati questi geni. E per la prima volta, possiamo davvero farlo. Possiamo farlo anche su molti individui che abbiamo analizzato.

Ora possiamo osservare tutto il cervello. Possiamo vedere questa impronta digitale unica. E ottenere la conferma. Conferma che, in effetti, il gene viene attivato - per un farmaco come il Prozac, in strutture serotoninergiche, già notoriamente interessate - ma si può anche ottenere una visione generale. Vediamo anche zone che nessuno ha mai visto prima, e vediamo questi geni attivati lì. È un effetto collaterale molto interessante. Un'altra cosa che si può fare, dato che è un esercizio di equivalenza di pattern, e c'è un'impronta digitale unica, è scansionare l'intero genoma e trovare altre proteine ​​che mostrino un'impronta digitale simile. Se siete alla ricerca di nuovi farmaci, per esempio, è possibile esaminare un intero elenco di ciò che il genoma ha da offrire per trovare migliori bersagli farmacologici e ottimizzarli.

Probabilmente avrete sentito parlare degli studi di associazione multipla [genome-wide] che i notiziari annunciano in tal modo: "Gli scienziati hanno recentemente scoperto il gene, i geni che interessano X". Questo tipo di studi viene regolarmente pubblicato dagli scienziati, e sono bravissimi. Analizzano grandi popolazioni. Analizzano i loro interi genomi e cercano di trovare punti di alta attività collegati ai geni secondo cause specifiche. Ma quello che si ottiene da tale esercizio è semplicemente un elenco di geni. Vi dice il cosa, ma non il dove. Quindi, per quei ricercatori, è molto importante il fatto che abbiamo creato questa risorsa. Ora possono venire da noi e cominciare ad ottenere indizi sull'attività. Possono iniziare a guardare a dei percorsi comuni - altri modi che non erano riusciti a individuare prima.

Penso che questo pubblico in particolare possa capire l'importanza dell'individualità. E penso che ogni essere umano, tutti noi abbiamo diversi background genetici, abbiamo tutti vissuto vite separate. Ma il fatto è che i nostri genomi sono più del 99% simili. Siamo simili a livello genetico. E scopriamo che anche a livello di chimica cerebrale, siamo piuttosto simili. Questo mostra che la corrispondenza non è del 99% ma è circa del 90%, in un ragionevole margine, quindi tutto, nella nuvola, è più o meno correlato. E poi troviamo alcuni valori anomali, alcuni elementi che si trovano al di là della nuvola. Questi geni sono interessanti ma appena percettibili. Secondo me un messaggio importante da portare con sé oggi è che, nonostante celebriamo tutte le nostre differenze, siamo molto simili, anche a livello cerebrale.

Ora, quali sono queste differenze? Ecco l'esempio di uno studio condotto per monitorare esattamente queste differenze - e sono abbastanza sottili. Qui i geni sono attivati in un unico tipo di cellula. Questi due geni sono esempi validi. Uno, l'RELN, è coinvolto nelle prime fasi dello sviluppo. Il DISC1 è un gene soppresso nella schizofrenia. Questi non sono soggetti schizofrenici, ma mostrano alcune variazioni nella popolazione. E quello che vedete qui nei donatori uno e quattro, che sono l'eccezione agli altri due, è che i geni si attivano in un sottogruppo molto specifico di cellule. È questo precipitato viola scuro all'interno della cellula che ci dice che lì c'è un gene attivo. Che sia dovuto o meno al background genetico di una persona o alle sue esperienze, non lo sappiamo. Questi studi richiedono popolazioni molto più ampie.

Quindi vi lascerò con una nota finale sulla complessità del cervello e su quanto dobbiamo ancora fare. Ritengo queste risorse incredibilmente importanti. Danno ai ricercatori la possibilità di sapere dove dirigersi. Ma in questa fase abbiamo studiato solo alcuni individui. Sicuramente ne analizzeremo di più. Concludo solo dicendo che gli strumenti ci sono, ed è veramente un continente inesplorato, tutto da scoprire. Questa è la nuova frontiera. E quindi per gli intrepidi, intimiditi dalla complessità del cervello, il futuro vi attende.

Grazie.

(Applausi)