Io sono il mio connettoma: Sebastian Seung

Viviamo un'era straordinaria, l'era della genomica. Il vostro genoma è la sequenza completa del vostro DNA. La vostra sequenza e la mia sono leggermente diverse, Per questo non abbiamo lo stesso aspetto. I miei occhi sono marroni, i vostri potrebbero essere blu, o grigi. Ma il genoma non si limita all'aspetto. Come ci dicono i titoli dei giornali, i geni possono causarci malattie spaventose, e forse persino plasmare la nostra personalità, o infliggerci disturbi mentali. I nostri geni, insomma, sembrano avere un potere stupefacente sul nostro destino. E tuttavia, mi piacerebbe pensare di essere qualcosa di più dei miei geni. Voi che pensate, gente? Siete più dei vostri geni? (Pubblico: Sì.) Sì? Penso che alcuni di voi siano d'accordo con me. e che dovremmo dichiararlo, che dovremmo dirlo tutti insieme. Bene: "Io sono più dei miei geni". Tutti insieme. (Tutti): Io sono più dei miei geni! (Sorride) Sebastian Seung: Che cosa sono io? (Risate) Io sono il mio connettoma. Siete un pubblico grandioso, quindi forse potete accontentarmi e dire tutti insieme anche questo. (Risate) Bene. Tutti insieme adesso. (Tutti insieme): Io sono il mio connettoma. SS: Fantastico! Siete proprio in gamba, non sapete nemmeno che cosa sia un connettoma e siete disposti a stare al mio gioco. Potrei tornarmene a casa già adesso.

Comunque, finora si conosce un solo connettoma, quello di questo minuscolo verme. Il suo semplice sistema nervoso è fatto di soli 300 neuroni. E negli anni '70 ed '80, un team di scienziati ha mappato tutte le 7.000 connessioni tra i neuroni. In questo schema, ogni nodo è un neurone, ed ogni linea è una connessione. Questo è il connettoma del verme C. elegans. Il nostro connettoma è di gran lunga più complesso, perché il nostro cervello contiene 100 miliardi di neuroni e 10.000 volte più connessioni. Esiste uno schema simile per il nostro cervello, ma non potrebbe stare in alcun modo dentro questa diapositiva. Il nostro connettoma contiene un milione di volte più connessioni di quante lettere abbia il nostro genoma. È una quantità di informazione enorme.

Che c'è in quelle informazioni? Non lo sappiamo con certezza, ma sono state formulate varie teorie. Dal 19.mo secolo, i neuroscienziati hanno ipotizzato che forse i nostri ricordi-- le informazioni che ci rendono le persone che siamo-- forse sono conservati nelle connessioni tra i neuroni del cervello. E forse anche altri aspetti della nostra identità personale, forse la nostra personalità e il nostro intelletto, forse anch'essi sono codificati nelle connessioni tra i nostri neuroni. Ora potete capire, dunque, perché ho avanzato quest'ipotesi: io sono il mio connettoma. Non vi ho chiesto di fare il coro perché è vero, voglio solo che ve lo ricordiate. In effetti, non sappiamo se l'ipotesi sia corretta, perché non abbiamo mai avuto tecnologie abbastanza potenti da verificarla. Trovare il connettoma di quel verme ha richiesto oltre dodici anni di lavoro tedioso. E per trovare i connettomi di cervelli più simili al nostro servono tecnologie più sofisticate, automatizzate, che accelerino la scoperta di nuovi connettomi. E nei prossimi minuti, vi parlerò di alcune di queste tecnologie, che al momento sono in fase di sviluppo nel mio laboratorio e in quelli dei miei collaboratori.

Probabilmente, avete già visto immagini di neuroni. Si riconoscono all'istante grazie alle loro forme fantastiche. Si estendono in diramazioni lunghe e delicate, e somigliano, in una parola, a degli alberi. Ma questo è solo un singolo neurone. Per trovare i connettomi, dobbiamo osservare tutti i neuroni contemporaneamente. Incontriamo dunque Bobby Kasthuri, che lavora nel laboratorio di Jeff Lichtman all'Università di Harvard. Bobby tiene in mano delle fette fantasticamente sottili del cervello di un topo. E noi le ingrandiamo 100.000 volte per ottenere la risoluzione giusta, che ci permetta di vedere vedere tutte le diramazioni contemporaneamente. Solo che potreste non riconoscerle ancora, perché dobbiamo lavorare in tre dimensioni.

Raccogliendo molte scansioni di molte fette cerebrali e impilandole, otteniamo un'immagine tridimensionale. Ma ancora non si possono vedere le ramificazioni. Iniziamo quindi dalla cima, e coloriamo in rosso la sezione di una ramificazione, poi ripetiamo l'operazione nella fetta successiva e in quella ancora successiva. E continuiam così, fetta dopo fetta. Se ripetiamo l'operazione per tutta la pila, possiamo ricostruire la forma tridimensionale di un piccolo frammento di una ramificazione neuronale. E possiamo farlo con un altro neurone, in verde. Potete vedere come il neurone verde tocchi quello rosso in due punti, che sono quelle che chiamiamo sinapsi.

Adesso ingrandiamo una sinapsi e voi osservate l'interno del neurone verde. Dovreste notare dei piccoli cerchi: si chiamano vescicole. Contengono una molecola nota come neurotrasmettitore. Così quando il neurone verde vuole comunicare, se vuol mandare un messaggio al neurone rosso, sputa fuori neurotrasmettitori. In corrispondenza della sinapsi, i due neuroni si dice che sono connessi, come due amici che parlano al telefono.

Avete visto, dunque, come si trova una sinapsi. Ma come possiamo trovare un intero conettoma? Beh, prendiamo questa pila tridimensionale di immagini e trattiamola come un gigantesco libro in 3D, da colorare. Assegniamo a ogni neurone un colore diverso, poi esaminiamo tutte le immagini, troviamo le sinapsi e osserviamo i colori dei due neuroni ingaggiati in ogni sinapsi. Se riusciamo a farlo per tutte le immagini, potremmo trovare un connettoma.

A questo punto avete imparato le basi di neuroni e sinapsi. Penso quindi che siamo pronti ad affrontare una delle domande più importanti nelle neuroscienze: in cosa sono diversi i cervelli degli uomini e delle donne? (Risate) Secondo questo manuale di auto-aiuto, i cervelli maschili sono come delle cialde: rinchiudono la propria vita in tante scatole separate. Quelli delle donne, invece, sono come gli spaghetti; ogni cosa, nella loro vita, è connessa a ogni altra. (Risate) Voi ridete, gente, ma questo libro ha cambiato la mia vita! (Risate) Seriamente, che cosa c'è che non va in tutto questo? Ne sapete già abbastanza per dirmelo. Cosa non va in questa affermazione? Non importa che siate un ragazzo o una ragazza, tutti noi abbiamo cervelli simili agli spaghetti. O forse a sottilissimi capelli d'angelo, con tante ramificazioni. Proprio come uno spaghetto ne tocca molti altri, nel piatto, un neurone tocca molti altri neuroni grazie alle loro ramificazioni intrecciate. E il motivo per cui possono connettersi a così tanti altri neuroni è che ci possono essere delle sinapsi in quei punti di contatto. A questo punto, potreste aver perso il senso delle proporzioni su quanto grande sia in realtà questo cubo di tessuto cerebrale.

E quindi vi farò una serie di confronti, per mostrarvelo. È molto piccolo, ve l'assicuro. Solo sei micron (0,006 millimetri) di lato. Eccolo a confronto con un intero neurone. Potete vedere che in realtà solo i più piccoli frammenti delle ramificazioni stanno dentro questo cubo. E un neurone, beh, è più piccolo del cervello. E questo è solo un cervello di topo. Che è molto più piccolo di un cervello umano. Perciò, quando mostro queste cose ai miei amici, a volte mi hanno detto: "Sai, Sebastian, dovresti proprio lasciar perdere. Non c'è speranza per la neuroscienza." Perché osservando un cervello a occhio nudo, non si può realmente vedere quant'è complesso, ma quando usi un microscopio la sua complessità nascosta finalmente si rivela.

Nel 17esimo secolo, Blasie Pascal, matematico e filosofo, scrisse del suo timore dell'infinito, del suo sentirsi insignificante quando contemplava la vastità del cosmo. E io, come scienziato, non dovrei parlare dei miei sentimenti. Troppe informazioni, professore. (Risate) Ma posso farlo? (Risate) (Applausi) Provo curiosità, e provo meraviglia, ma ho anche provato disperazione, a volte. Perché ho scelto di studiare un organo dalla complessità così sbalorditiva da essere praticamente infinito? È assurdo. Come osiamo anche solo credere che potremo mai comprenderlo?

Tuttavia, io persisto in quest'impresa donchisciottesca. E anzi in questi giorni nutro nuove speranze. Un giorno, una batteria di microscopi riuscirà a rinchiudere ogni neurone ed ogni sinapsi in un grande database di immagini. E un giorno, dei supercomputer dotati d'intelligenza artificiale analizzeranno le immagini senza intervento umano, ricomponendole in un connettoma. Non lo so per certo, ma spero di essere ancora vivo, quel giorno. Perché ricostruire un intero connettoma umano è una delle sfide tecnologiche più grandi di tutti i tempi. Sarà necessario il lavoro di generazioni, per vincerla. Per il momento, i miei collaboratori ed io ci poniamo un obiettivo molto più modesto -- solo trovare connettomi parziali di piccoli campioni di cervello umano e murino. Ma anche quelli saranno sufficienti per iniziare a testare l'ipotesi che io sono il mio connettoma. Per ora, lasciate che provi a convincervi che quest'ipotesi è plausibile, che merita di essere presa seriamente in considerazione.

Man mano che cresciamo, durante l'infanzia, e poi invecchiamo, nella maturità, la nostra identità personale cambia lentamente. Analogamente, ogni connettoma cambia nel tempo. Che tipo di cambiamenti avvengono? Beh, i neuroni, come gli alberi, possono emettere nuovi rami, e perdere quelli vecchi. Delle sinapsi si possono creare, e possono venir eliminate. Delle sinapsi possono ingrandirsi e possono rimpicciolirsi. Seconda domanda: qual è la causa di questi cambiamenti? Beh, è vero: In una certa misura, sono programmati dai nostri geni. Ma i geni non spiegano tutto, perché ci sono segnali, segnali elettrici, che scorrono lungo le ramificazioni neuronali e segnali chimici che saltano da una ramificazione all'altra. Questi segnali costituiscono la cosiddetta attività neurale. E ci sono molte prove che l'attività neurale codifica i nostri pensieri, sensazioni e percezioni, le nostre esperienze mentali. E ci sono anche molte prove che l'attività neurale può far cambiare le nostre connessioni. E se mettete insieme questi due fatti, ciò significa che le nostre esperienze possono modificare il nostro connettoma. Ecco perché ogni connettoma è unico, anche quelli dei gemelli identici. È nel connettoma che s'incontrano natura e cultura. E potrebbe darsi che il semplice fatto di pensare possa cambiare il nostro connettoma -- un'idea che potrebbe farci sentire portatori di un grande potere.

Cosa c'è in questa immagine? Un corso d'acqua fresco e rinfrescante, direte voi. Che altro c'è nell'immagine? Non dimenticate quel solco nella terra chiamato letto del fiume. Senza un letto, l'acqua non saprebbe in quale direzione scorrere. E mi piacerebbe, con l'immagine del flusso, proporre una metafora per la relazione tra attività neurale e connettività. L'attività neurale è in continuo mutamento. È come l'acqua di quel fiume; non sta mai ferma. Le connessioni della rete neurale del cervello determinano i percorsi lungo i quali scorre l'attività neurale. Il connettoma, quindi, è come il letto del torrente. Ma la metafora è ancora più ricca. Perché è vero che il letto del fiume guida il corso dell'acqua, ma nel lungo periodo anche l'acqua ridisegna il letto del fiume. E come vi ho appena detto, l'attività neurale può cambiare il connettoma. E se mi permettete di scalare le vette della metafora, vi ricorderò che l'attività neurale è, o almeno i neuroscienziati pensano che sia, la base fisica di pensieri, sensazioni e percezioni. E quindi, potremmo perfino parlare di flusso di coscienza. L'attività neurale è la sua acqua, e il connettoma è il suo letto.

Adesso scendiamo dalle vette della metafora e torniamo alla scienza. Supponiamo che le tecnologie preposte a trovare i connettomi funzionino davvero. In che modo testiamo l'ipotesi "Io sono il mio connettoma"? Beh, propongo un test diretto. Proviamo a estrarre dei ricordi dai connettomi. Prendiamo ad esempio la memoria di lunghe sequenze temporali di movimenti, come un pianista che esegua una sonata di Beethoven. Secondo una teoria che risale al 19esimo secolo, tali memorie sono conservate nel nostro cervello come catene di connessioni sinaptiche. Perché i primi neuroni della catena, se si attivano, mandano attraverso le sinapsi dei messaggi ai neuroni seguenti, che si attivano, e così via lungo la linea, come una catena di tessere del domino. E questa sequenza di attivazioni neurali si suppone che sia la base neurale di quelle sequenze di movimenti.

Un modo di provare a verificare questa teoria è dunque osservare tali catene dentro i connettomi. Ma non sarà semplice, perché non avranno questo aspetto. Saranno attorcigliate in mille modi. Dovremo quindi usare i nostri computer per cercare di districare la catena. E se ci riusciamo, la sequenza di neuroni ricostruita con questo sbrogliamento costituirà una previsione dello schema di attività neurale che viene riprodotta nel cervello durante i richiami alla memoria. Se ci riuscissimo, sarebbe il primo esempio di lettura di un ricordo da un connettoma.

(Risate)

Che confusione! Avete mai provato a cablare un sistema complesso come questo? Spero di no. Ma se vi è successo, sapete quanto sia facile commettere un errore. Le ramificazioni dei neuroni sono come i fili del cervello. Provate a indovinare: qual è la lunghezza totale dei cavi nel vostro cervello? Vi darò un suggerimento. È un numero grande. (Risate) Io stimo [che siano] milioni di chilometri. Tutti ripiegati dentro il vostro cranio. Se vi rendete conto di quanti sono, potrete facilmente capire quanto sia enorme il potenziale di errore nel cablaggio cerebrale. E in realtà, alla stampa popolare piacciono titoli come: "I cervelli anoressici (o quelli autistici) sono cablati diversamente." Sono affermazioni plausibili, ma in realtà non riusciamo ad osservare il cablaggio del cervello abbastanza nitidamente da stabilire se sono vere. Pertanto, le tecnologie per vedere i connettomi ci permetteranno finalmente di leggere gli errori nel cablaggio del cervello, osservando i disordini mentali nei connettomi.

A volte il miglior modo di testare un'ipotesi è di considerare le sue conseguenze estreme. I filosofi conoscono il gioco molto bene. Se credete che io sia il mio connettoma, penso che dobbiate anche accettare l'idea che la morte sia la distruzione del nostro connettoma.♫ Affronto il tema perché ci sono dei profeti, oggi, che affermano che la tecnologia potrà alterare in modo fondamentale la condizione umana e forse persino trasformare la specie umana. Uno dei sogni a loro più cari è quello di ingannare la morte con la pratica nota come crionica. Pagando 100.000 dollari, potete farvi congelare il corpo dopo la morte e conservarlo nel nitrogeno liquido, in una di queste cisterne in un magazzino dell'Arizona, in attesa di una civiltà futura abbastanza avanzata da farvi risorgere.

Dovremmo ridicolizzare questi moderni cercatori dell'immortalità, definendoli sciocchi? O saranno loro, un giorno, a sorridere sulle nostre tombe? Non lo so. Preferisco testare le loro convinzioni, scientificamente. Propongo di provare a trovare un connettoma di un cervello congelato. Sappiamo che il cervello si danneggia dopo la morte e durante il congelamento. La domanda è: questo danno ha cancellato il connettoma? Se sì, nessuna civiltà futura potrà in alcun modo recuperare le memorie di questi cervelli congelati. La risurrezione potrebbe realizzarsi per il corpo, ma non per la mente. D'altro canto, se il connettoma resta intatto, non possiamo liquidare le affermazioni della crionica così in fretta.

Vi ho appena descritto una ricerca che inizia nel mondo del molto piccolo, e ci spinge nel mondo dell'estremo futuro. I connettomi segneranno un punto di svolta nella storia umana. Mentre ci evolvevamo dai nostri antenati primati nella savana Africana, a distinguerci sono stati i nostri cervelli più grandi. Abbiamo usato i nostri cervelli per dare forma a tecnologie sempre più sorprendenti. Alla fine, queste tecnologie diventeranno così potenti che le useremo per conoscere noi stessi, decostruendo e ricostruendo i nostri stessi cervelli. Credo che questo viaggio di auto-scoperta non riguardi solo gli scienziati, ma tutti noi. E sono grato di aver oggi potuto condividere questo viaggio con voi.

Grazie.

(Applausi)