Gli scienziati hanno identificato una forma inedita di comunicazione tra cellule nel cervello umano, una scoperta che dimostra quanto ci sia ancora da imparare sul funzionamento di questo organo straordinariamente complesso. Ancora più interessante, questa scoperta suggerisce che il cervello potrebbe essere un sistema di elaborazione delle informazioni ancora più potente di quanto si ritenesse finora.
Già nel 2020, ricercatori di istituti in Germania e Grecia avevano descritto un meccanismo presente nelle cellule corticali dello strato più esterno del cervello, capace di generare autonomamente un nuovo tipo di segnale “modulato”. Questo meccanismo potrebbe offrire ai singoli neuroni un’ulteriore modalità per svolgere funzioni logiche.
Misurando l’attività elettrica in campioni di tessuto rimossi durante interventi chirurgici su pazienti affetti da epilessia e analizzandone la struttura tramite microscopia a fluorescenza, i neurologi hanno scoperto che alcune cellule della corteccia utilizzano non solo i consueti ioni sodio per generare impulsi, ma anche ioni calcio. Questa combinazione di ioni con carica positiva innesca onde di voltaggio mai osservate prima, chiamate potenziali d’azione dendritici mediati dal calcio, o dCaAP (calcium-mediated dendritic action potentials).
Il cervello – soprattutto quello umano – viene spesso paragonato a un computer. È un’analogia che ha i suoi limiti, ma per certi aspetti i due sistemi svolgono davvero compiti simili. Entrambi sfruttano variazioni di potenziale elettrico per eseguire operazioni. Nei computer ciò avviene attraverso il flusso relativamente semplice di elettroni in punti di intersezione chiamati transistor. Nei neuroni, invece, il segnale si presenta come un’onda di apertura e chiusura di canali che permettono lo scambio di particelle cariche, come sodio, cloruro e potassio. Questo impulso di ioni in movimento prende il nome di potenziale d’azione. Al posto dei transistor, i neuroni gestiscono questi segnali per via chimica alle estremità delle loro ramificazioni, chiamate dendriti.
“I dendriti sono fondamentali per comprendere il cervello, perché sono al centro di ciò che determina la potenza computazionale dei singoli neuroni”, ha spiegato il neuroscienziato della Humboldt University Matthew Larkum a Walter Beckwith dell’American Association for the Advancement of Science. I dendriti possono essere considerati come regolatori del traffico del sistema nervoso. Se un potenziale d’azione è sufficientemente intenso, può essere trasmesso ad altri neuroni, che a loro volta possono bloccare oppure inoltrare il messaggio.
Su questo principio si fonda la logica del cervello: variazioni di voltaggio che possono essere elaborate collettivamente secondo due modalità principali: una logica di tipo AND (il segnale passa solo se vengono attivati sia x sia y) oppure di tipo OR (il segnale passa se viene attivato x oppure y).
Probabilmente, questa complessità raggiunge il suo massimo nella sezione esterna, densa e ripiegata, del sistema nervoso centrale umano: la corteccia cerebrale. In particolare, il secondo e il terzo strato più profondi sono particolarmente spessi e ricchi di ramificazioni che svolgono funzioni superiori associate alla percezione, al pensiero e al controllo motorio. È proprio da questi strati che i ricercatori hanno prelevato i tessuti analizzati nello studio, collegando le cellule a un dispositivo chiamato somatodendritic patch clamp, in grado di inviare potenziali elettrici lungo il neurone e registrarne i segnali.
“È stato un vero momento di svolta quando abbiamo osservato per la prima volta questi potenziali d’azione dendritici”, ha raccontato Larkum. Per verificare che la scoperta non fosse limitata ai pazienti affetti da epilessia, il team ha controllato i risultati anche su alcuni campioni provenienti da tumori cerebrali.
Un dato cruciale emerso dallo studio è che i segnali rilevati nelle cellule umane erano molto diversi da quelli osservati in precedenza nei ratti, nonostante i ricercatori avessero già eseguito esperimenti analoghi su quel modello animale.
Inoltre, quando i ricercatori hanno trattato le cellule con la tetrodotossina, una sostanza che blocca i canali del sodio, il segnale continuava comunque a essere presente. Solo bloccando il calcio tutta l’attività cessava.
Individuare un potenziale d’azione mediato dal calcio è già di per sé una scoperta notevole. Ma i modelli elaborati per descrivere il funzionamento di questo nuovo tipo di segnale nella corteccia hanno rivelato un’ulteriore sorpresa.
Oltre alle classiche funzioni logiche di tipo AND e OR, questi singoli neuroni sembrano essere in grado di comportarsi anche come porte logiche di tipo XOR (exclusive OR, “o esclusivo”), che consentono il passaggio del segnale solo quando un altro segnale presenta una determinata gradazione.
“Tradizionalmente, si è ritenuto che l’operazione XOR richiedesse una soluzione di rete”, hanno scritto i ricercatori.
Sarà necessario ulteriore lavoro per capire come i dCaAP si comportino nell’intero neurone e in un sistema vivente. Resta inoltre da chiarire se si tratti di un meccanismo esclusivamente umano o se processi simili si siano evoluti anche in altre specie animali.
Anche la tecnologia guarda al nostro sistema nervoso come fonte di ispirazione per sviluppare hardware più avanzati. Sapere che le nostre singole cellule nervose possiedono capacità ancora più sofisticate potrebbe aprire la strada a nuovi modi di progettare reti di transistor.
Resta però una domanda fondamentale: in che modo questo nuovo strumento logico, racchiuso all’interno di una singola cellula nervosa, contribuisca alle funzioni cerebrali superiori. Saranno le ricerche future a doverlo chiarire.
La ricerca è stata pubblicata su Science:
