Gero Miesenboeck riorganizza un cervello.

Io ho un sosia. (Risate) Dr. Gero e' uno scienziato brillante ma leggermente squilibrato nella 'Saga Androide' di Dragonball Z. Se osservate attentamente, vedrete che il suo cranio e' stato sostituito con uno zuccotto di Plexiglass trasparente in modo che la sua attivita' cerebrale possa essere osservata e anche controllata con la luce. Questo e' esattamente cio' di cui mi occupo - controllo ottico della mente.

(Risate)

Ma a differenza del mio malvagio gemello, che brama il dominio del mondo, le mie motivazioni non sono sinistre. Io controllo il cervello in modo da capire come funziona. Aspetta un attimo, direte voi, come puoi controllare direttamente il cervello senza prima capirlo? Non e' come mettere il carro davanti ai buoi? Molti neuroscienziati sono d'accordo con questa posizione e pensano che la comprensione arrivera' dopo un'osservazione e analisi piu' dettagliata. Dicono 'Se potessimo registrare l'attivita' dei nostri neuroni, capiremmo il cervello'. Pensate un momento cosa vuol dire questo. Anche se potessimo misurare cosa sta facendo ogni cellula in ogni momento, dovremmo ancora riuscire a capire i modelli dell'attivita' registrata, cosa molto difficile, e' piu' probabile che riusciremo a capire quei modelli tanto poco quanto il cervello che li produce.

Osservate come l'attivita' cerebrale potrebbe apparire. In questa simulazione, ogni puntino nero e' una cellula nervosa. Il puntino e' visibile ogniqualvolta una cellula scarica un impulso elettrico. Qui' ci sono 10.000 neuroni. Di conseguenza state osservando circa l'un per cento del cervello di uno scarafaggio. I vostri cervelli sono circa 100 milioni di volte piu' complicati. Da qualche parte, in un modello come questo, ci siete voi, le vostre percezioni, le vostre emozioni, i vostri ricordi, i vostri progetti per il futuro. Ma non sappiamo dove, visto che non sappiamo come leggere il modello. Non capiamo il codice usato dal cervello. Per compiere progressi, abbiamo bisogno di decifrare il codice. Ma come? Un esperto decifratore vi direbbe che in modo da capire cosa significano i simboli di un codice, e' essenziale riuscire a manipolarli, a riarrangiarli a piacimento. Cosi' anche in questa situazione, per decodificare l'informazione contenuta in modelli come questo, osservare soltanto non basta, abbiamo bisogno di riorganizzare il modello. In altre parole, invece di registrare l'attivita' dei neuroni, abbiamo bisogno di controllarla. Non e' essenziale poter controllare l'attivita' di tutti i neuroni del cervello, ma solo di alcuni. Tanto piu' mirati i nostri interventi, tanto meglio. Fra un momento vi mostrero' in che modo possiamo ottenere la precisione necessaria.

Visto che sono realista, piuttosto che grandioso, non sostengo che l'abilita' di controllare la funzione del sistema nervoso ne svelera' di colpo tutti i misteri. Ma certamente avremo molto da imparare. Ora, non e' il caso che io sia la prima persona a capire quanto potente sia uno strumento d'intervento. La storia dei tentativi di trafficare con la funzione del sistema nervoso e' lunga e illustre. Risale almeno a duecento anni fa, ai famosi esprimenti di Galvani dalla fine del 18esimo secolo in poi. Galvani mostro' che le gambe di una rana si contraevano quando connetteva il nervo lombare a una fonte di corrente elettrica. Questo esperimento rivelo' il primo, e probabilmente piu' fondamentale, concetto del codice neurale: l'informazione e' scritta in forma di impulsi elettrici. L'approccio di Galvani di sondare il sistema nervoso con elettrodi e' rimasto in voga fino a oggi, nonostante una serie di svantaggi. Inserire fili nel cervello e', ovviamente, piuttosto rozzo. E' difficile farlo negli animali che vanno in giro, e ci sono dei limiti fisici sul numero di fili che possono essere inseriti contemporaneamente.

Cosi' verso la fine del secolo scorso, ho cominciato a pensare, che sarebbe meraviglioso poter prendere questa idea e capovolgerla. Cosi', invece di inserire un filo in un posto del cervello, ri-programmare il cervello stesso cosi' che alcuni dei suoi elementi neurali diventino ricettivi nei confronti di segnali trasmessi, come un lampo di luce. Tale approccio, letteralmente con un lampo di luce supera molti degli ostacoli alla scoperta. Primo, e' chiaramente una forma di comunicazione non-invasiva, senza fili. E secondo, proprio come nella diffusione radio, si puo' comunicare con molti ricettori allo stesso tempo. Non occorre sapere dove siano questi ricettori. E non importa che questi ricettori si muovano - pensate allo stereo nella vostra macchina. La cosa si fa piu' interessante quando risulta che possiamo fabbricare i ricettori con il materiale codificato nel DNA. Cosi' ogni cellula nervosa con il corretto corredo genetico produrra' spontaneamente un ricettore che ci permette di controllare la sua funzione. Spero apprezzerete la meravigliosa semplicita' di questo concetto. Non c'e' nessun aggeggio ultra-tecnologico, ma solo la biologia attivata attraverso la biologia.

Adesso osservate piu' da vicino questi meravigliosi ricettori. Quando ci avviciniamo a uno di questi neuroni viola vediamo che la sua membrana esterna e' punteggiata da pori microscopici. Pori come questi conducono corrente elettrica e sono responsabili di tutta la comunicazione nel sistema nervoso. Ma questi pori sono speciali. Essi sono accopiati a ricettori della luce simili a quelli nei vostri occhi. Ogni qual volta un lampo di luce colpisce il ricettore, il poro si apre, genera la corrente elettrica, e il neurone scarica impulsi elettrici. Poiche' il poro attivato dalla luce e' codificato nel DNA, possiamo ottenere una precisione incredibile. Questo perche', nonostante ogni cellula nel nostro corpo contenga lo stesso insieme di geni, diverse combinazioni di geni sono attivate e disattivate in cellule diverse. Potete sfruttare questo principio per essere sicuri che solo certi neuroni, e non altri, contengano i nostri pori attivati dalla luce. In questa immagine, la cellula bianca bluastra nell'angolo sinistro in alto non risponde alla luce perche' non ha il poro di attivazione luminosa. L'approccio funziona talmente bene che si possono scrivere messaggi del tutto artificiali direttamente nel cervello. In questo esempio, ogni impulso elettrico, ogni deviazione dalla traccia, e' causato da un breve segnale di luce. Questo approccio funziona anche in animali in movimento.

Questo e' il primo esperimento in assoluto di questo tipo, una specie di equivalente ottico di quelli di Galvani. Venne condotto sei o sette anni fa dalla mia allora studentessa, Susana Lima. Susana aveva progettato la mosca da frutta a sinistra tale che due su 200,000 cellule nel suo cervello generassero il poro fotoattivato. Queste cellule vi saranno familiari dal momento che sono quelle che vi fanno sentire frustrati quando provate a scacciare una mosca. Esse hanno prodotto il riflesso della fuga che consente alle mosche di saltare e volare via ogni volta che muovete la mano. Potete vedere che il lampo di luce ha esattamente lo stesso effetto. L'animale salta, apre le ali, le agita, ma non puo' realmente spiccare il volo, perche' la mosca e' chiusa tra due piastre di vetro. Ora, per esser certi che non fosse la reazione della mosca a un bagliore che avrebbe potuto vedere, Susana fece un semplice ma veramente brutale esperimento. Taglio' le teste alle sue mosche. Questi corpi decapitati posso vivere per circa un giorno, ma non fanno molto. Si muovono un po' tutt'intorno ripulendosi eccessivamente. Pare che l'unico tratto che sopravvive alla decapitazione sia la vanita'. (Risate) Comunque, come vedrete fra un momento, Susana fu in grado di accendere il motore della fuga in quello che e' l'equivalente della spina dorsale di queste mosche e far si' che alcuni dei corpi senza testa riuscissero effettivamente a decollare e volare via. Non andarono molto lontano, ovviamente. Da quando abbiamo compiuto questi primi passi, il campo dell'optogenetica e' esploso. Adesso ci sono centinaia di laboratori che usano questi approcci.

Abbiamo percorso una lunga strada dai primi successi di Galvani e Susana nel far si' che gli animali si contraggano o saltino. Ora possiamo realmente interferire con la loro psicologia in modi piuttosto profondi come vi mostrera' il mio ultimo esempio, che e' diretto a una domanda familiare. La vita e' una serie di scelte che creano una pressione costante per decidere cosa fare. Facciamo fronte a questa pressione con il cervello, e nei nostri cervelli, con i centri decisionali che qui' ho chiamato l' Attore. L' Attore attua una strategia che prende in considerazione lo stato dell'ambiente e il contesto nel quale operiamo. Le nostre azioni modificano l'ambiente, o il contesto, e questi cambiamenti vengono poi ritrasmessi nel circolo decisionale.

Ora, per inserire contenuti neurobiologici in questo modello astratto, abbiamo costruito un mondo uni-dimensionale semplice per il nostro soggetto preferito, le mosche da frutta. ogni camera di queste due colonne verticali contiene una mosca. Le meta' destra e sinistra della camera sono pregne di due diversi odori, e una telecamera di sicurezza osserva le mosche fare su e giu' fra le due. Ecco alcune video registrazioni. Ogni qual volta raggiunge il centro della camera dove due correnti di odore si incontrano, la mosca deve prendere una decisione. Deve decidere se fare marcia indietro e rimanere nello stesso odore, oppure oltrepassare la linea e provare qualcosa di nuovo. Queste decisioni sono chiaramente un riflesso della strategia dell' Attore. Per una creatura intelligente come la nostra mosca, questa strategia non e' rigida, ma anzi cambia con cio' che l'animale impara dall'esperienza. Possiamo incorporare questo elemento di intelligenza adattativa nel nostro modello assumendo che il cervello della mosca contiene non solo un Attore, ma un gruppo diverso di cellule, un Critico, che fornisce una telecronaca continua sulle scelte dell' Attore. Potete pensare a questa assillante voce interiore come a una specie di equivalente per il cervello della Chiesa Cattolica, se siete Austriaci come me, o del superego, se siete Freudiani, o di vostra madre, se siete Ebrei.

(Risate)

Ovviamente, il Critico e' un ingrediente fondamentale per cio' che ci rende intelligenti. Cosi', ci proponemmo di identificare le cellule nel cervello della mosca che svolgono il ruolo del Critico. La logica del nostro esperimento era semplice. Pensammo che se potevamo usare il nostro controllo ottico remoto per attivare le cellule del Critico, dovevamo essere in grado, artificialmente, di assillare l'Attore per fargli cambiare strategia. In altre parole, la mosca avrebbe dovuto imparare dagli sbagli che pensava di aver fatto ma che in realta' non aveva fatto. Cosi' abbiamo allevato mosche i cui cervelli erano stati corretti piu' o meno a caso con cellule che fossero sensibili dalla luce. Poi abbiamo preso queste mosche e abbiamo permesso loro di operare delle scelte. Ogni volta che prendevano una delle due decisioni, cioe' sceglievano un odore, in questo caso blu invece di arancione, accendavamo le luci. Se il Critico fosse stato fra le cellule attivate dalla luce il risultato di questo intervento avrebbe dato un cambio di strategia. La mosca dovrebbe imparare a evitare l'odore otticamente rinforzato.

Ecco cosa e' successo in due casi. Mettiamo a confronto due famiglie di mosche, ognuna delle quali ha circa 100 cellule fotosensibili nel cervello, qui' indicate in verde a destra e a sinistra. Cio' che accomuna questi gruppi di cellule e' la produzione del neurotrasmettitore dopamina. Ma le identita' dei singoli neuroni produttori di dopamina a destra e a sinistra sono chiaramente diverse. L'attivazione ottica di questo centinaio di cellule in due famiglie di mosche, ha delle conseguenze drammaticamente diverse. Se osservate il comportamento della mosca a destra, vedrete che quando raggiunge il centro della camera dove i due odori si incontrano, continua a andare dritta come prima. Il suo comportamento non e' affatto cambiato. Ma il comportamento della mosca a sinistra e' molto diverso. Quando arriva al centro, si ferma, controlla attentamente la frontiera odorifera, come se stesse annusando il suo ambiente, e quindi svolta. Cio' significa che la strategia implementata dall'Attore ora include un'istruzione per evitare l'odore che e' nella meta' destra della camera. Cio' vuol dire che il Critico deve aver parlato all'animale, e che il Critico debba essere contenuto tra i neuroni produttori di dopamina sulla sinistra, ma non tra i neuroni produttori di dopamina a destra.

Attraverso molti di questi esperimenti siamo stati in grado di delimitare l'identita' del Critico a sole 12 cellule. Queste 12 cellule, qui' contrassegnate in verde, mandano il segnale alla struttura cerebrale chiamata corpo fungoso, che qui' è in grigio. Dal nostro modello formale, sappiamo che la struttura cerebrale che riceve il commento del Critico e' l'Attore. Questa anatomia suggerisce che i corpi fungosi hanno qualcosa a che fare con un'azione di scelta. Sulla base di tutto cio' che sappiamo dei corpi fungosi, i conti tornano alla perfezione. Infatti, i conti tornano cosi' tanto, che siamo in grado di costruire un circuito giocattolo elettronico che simula il comportamento della mosca. In questo circuito giocattolo elettronico i neuroni del corpo fungoso sono simbolizzati dalla banda verticale di fotoemettitori blu al centro della lavagna. I fotoemettitori sono collegati a sensori che rilevano la presenza di molecole odorifere nell'aria. Ogni odore attiva una combinazione diversa di sensori, che a sua volta attiva un rilevatore di odore diverso nel corpo fungoso. Cosi' il pilota nella cabina della mosca, l'Attore, e' in grado di dire quale odore sia presente semplicemente guardando quali luci blu sono accese.

Cio' che l'Attore fa con questa informazione dipende dalla sua strategia, immagazzinata nelle connessioni, fra i rilevatori di odore e i motori che alimentano le azioni evasive della mosca. Se la connessione e' debole, i motori staranno spenti e la mosca continuera' per la sua strada. Se la connessione e' forte, i motori si accenderanno e la mosca comincera' a svoltare. Consideriamo una situazione in cui i motri restano spenti, la mosca continua il suo percorso e ne soffre qualche dolorosa conseguenza come prendere la scossa. In una situazione come questa, ci aspetteremmo che il Critico parli e dica all' Attore di cambiare strategia. Abbiamo creato una situazione artificiale con l'accensione del Critico tramite un lampo di luce. Cio' comporta un rafforzamento delle connessioni tra i rilevatori di odore correntemente attivi e i motori. Cosi' quando la mosca si ritrovera' di fronte allo stesso odore, la connessione sara' forte abbastanza per accendere i motori e per innescare una manovra evasiva.

Non so voi, ma io trovo esilarante vedere come vaghe nozioni psicologiche evaporino e diano luogo a una comprensione fisica e meccanica della mente, anche se e' la mente di una mosca. Questa e' la prima buona notizia. La seconda buona notizia, per uno scienziato, perlomeno, e' che c'e' ancora molto da scoprire. Negli esperimenti di cui vi ho parlato, abbiamo svelato l'identita' del Critico, ma ancora non abbiamo idea di come il Critico svolga il suo lavoro. Pensadoci bene, sapere di essere nel torto in assenza di un maestro, o di tua madre che te lo dice, e' un problema molto difficile. Ci sono alcune idee in informatica e in intelligenza artificiale su come cio' possa essere fatto, ma ancora non abbiamo risolto un solo esempio di come il comportamento intelligente sbocci dalle interazioni fisiche nella materia vivente. Penso che ci arriveremo in un futuro non troppo lontano.

Grazie.

(Applausi)