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Anno dopo anno, il ritmo delle scoperte neuroscientifiche è allo stesso tempo entusiasmante e inarrestabile. Dai mini-cervelli cresciuti in laboratorio all'intelligenza artificiale che scopre i segreti evolutivi del cervello umano, goditi queste 7 delle scoperte più sorprendenti del 2021.
Un gruppo di ricerca dell’Università della California a San Francisco ha sviluppato con successo un metodo che utilizza la stimolazione cerebrale profonda (DBS) per trattare in modo adattivo i sintomi depressivi solo quando compaiono. La stimolazione cerebrale profonda prevede l’impianto di elettrodi all’interno del cervello per fornire correnti elettriche in grado di alterare l’attività cerebrale.
Studi precedenti hanno avuto un successo limitato nel trattamento della depressione con la DBS perché i dispositivi potevano fornire solo una stimolazione elettrica costante in un’area del cervello. Tuttavia la depressione può colpire varie aree del cervello e le firme neurali della depressione possono aumentare e diminuire in modo imprevedibile.
Con l'obiettivo di creare essenzialmente un pacemaker per il cervello, gli scienziati hanno decodificato un nuovo biomarcatore neurale. Questo modello specifico di attività cerebrale predice efficacemente l’insorgenza dei sintomi. Con questa conoscenza il team ha personalizzato una nuova tecnologia DBS che si attiva solo quando e dove riconosce quel modello.
Il tipo di terapia automatica su richiesta è impressionante perché le sue risposte funzionali sono uniche sia per il cervello del paziente che per il circuito neurale che causa la malattia. Nella sua prima prova, questo metodo DBS personalizzato è stato testato con un paziente affetto da grave depressione e superato a pieni voti. Quasi immediatamente i sintomi del paziente si sono alleviati e ciò è continuato a lungo termine.
Nell’era del COVID, dove l’ansia e i problemi di salute mentale stanno diventando diffusi, questo approccio potrebbe rivelarsi una preziosa terapia senza farmaci per centinaia di milioni di persone.
Analogamente alle onde luminose, gli esseri umani possono percepire solo uno spettro relativamente piccolo delle onde sonore che viaggiano intorno a noi. In genere possiamo captare solo frequenze comprese tra 20 Hz e 20.000 Hz, oltre queste frequenze sono considerate ultrasoniche. Questa è la gamma di frequenza in cui operano animali come i pipistrelli e anche quella utilizzata nelle scansioni mediche a ultrasuoni.
Gli scienziati dell'Università di Aalto hanno sperimentato un nuovo metodo che utilizza una tecnologia sofisticata e ha portato a un dispositivo che sostanzialmente fornisce agli esseri umani un udito a livello di pipistrello . Ciò include non solo la capacità di udire frequenze ben oltre i 20.000 Hz, ma anche di discernere la direzione e la distanza delle sorgenti sonore. Per i biologi, ad esempio, consente alle persone di seguire pipistrelli in volo altrimenti furtivi e localizzare le loro posizioni.
Funziona registrando gli ultrasuoni tramite un array di microfoni sferici, che rileva i suoni ultrasonici e utilizza un computer per tradurre il tono in frequenze udibili. Quindi riproduce le onde sonore convertite tramite le cuffie in tempo reale. Essere in grado di percepire suoni normalmente impercettibili potrebbe avere preziose applicazioni industriali, ad esempio essere in grado di sentire e localizzare fughe di gas altrimenti silenziose.
Sebbene le neuroscienze siano un settore scientifico relativamente giovane e in rapida crescita, l’intelligenza artificiale (AI) è molto più recente e cresce più rapidamente. Il potenziale della combinazione di questi due campi della scienza è stato rivelato dai ricercatori del MIT .
Usando l’apprendimento automatico, hanno scoperto che le reti neurali artificiali possono autoimparare a annusare in pochi minuti, imitando di fatto i circuiti olfattivi nel cervello dei mammiferi. Ciò è profondo perché l’algoritmo messo in funzione non aveva conoscenza dei milioni di anni di evoluzione necessari per sviluppare biologicamente l’olfatto.
Eppure, sorprendentemente, la rete neurale artificiale ha replicato l’attività biologica dell’olfatto così fedelmente da rivelare che la rete olfattiva del cervello è matematicamente ottimizzata per la sua funzione.
Questa precisa imitazione della struttura naturale dei circuiti cerebrali da parte dell’apprendimento automatico indipendente può annunciare una nuova era, in cui l’intelligenza artificiale ci insegna i segreti più intimi dell’evoluzione biologica. L’olfatto è il punto di partenza nel 2021, ma chissà dove questo potrà portare…
I ricercatori della UC San Francisco hanno sviluppato un nuovo tipo di neuroprotesi vocale per pazienti paralizzati che impedisce loro di parlare. Il metodo è stato dimostrato con successo su un uomo con un tronco cerebrale gravemente danneggiato, causando la paralisi dell'intero corpo.
Funziona in modo piuttosto straordinario rilevando i segnali cerebrali legati al linguaggio che controllano le corde vocali. Quando parliamo, le corde vocali richiedono complesse istruzioni di funzione motoria per articolare l’ampia varietà di suoni che usiamo quando conversiamo. Anche quando non è possibile muoversi, questi segnali possono comunque essere inviati dal cervello.
Utilizzando registrazioni cerebrali di pazienti affetti da epilessia, gli scienziati hanno sviluppato un metodo per decodificare in parole le istruzioni inviate ai muscoli vocali. Da questi schemi neurali, sono stati in grado di discernere in modo affidabile 50 diverse parole comuni ogni volta che il paziente le pensava.
Tutto ciò che era necessario era che il paziente indossasse una serie di elettrodi ad alta densità per catturare e registrare l’attività neurale, che registrava i segnali dalla corteccia motoria del linguaggio. Ciò ha consentito di tradurre fino a 18 parole al minuto con una precisione del 93%. Il vantaggio per il paziente era che doveva semplicemente comportarsi come se stesse parlando realmente e poteva comunicare centinaia di frasi diverse dal vocabolario di 50 parole.
Anche se questo progresso sembra limitato ai pazienti paralizzati, subiamo la paralisi ogni notte quando sogniamo (a meno che non camminiamo nel sonno). Se sufficientemente evoluto, questo approccio potrebbe, ad esempio, aprire la strada alla traduzione dei nostri stessi pensieri mentre dormiamo!
Tecnicamente chiamati "organoidi cerebrali", i mini-cervelli possono essere coltivati da cellule staminali pluripotenti indotte . Queste cellule staminali possono essere prelevate dalla pelle o dal sangue di una persona e possono potenzialmente trasformarsi in qualsiasi tipo di cellula. Il vantaggio è che le strutture cellulari normalmente difficilmente accessibili possono, in linea di principio, essere coltivate e isolate per lo studio. Ciò è particolarmente rilevante per il cervello, tuttavia i mini-cervelli precedenti avevano strutture funzionali limitate.
La scoperta di quest'anno da parte degli scienziati dell'UCLA ha catapultato la complessità strutturale facendo crescere aggregati di organoidi per formare complesse strutture cerebrali tridimensionali. I ricercatori hanno prelevato cellule staminali da pazienti affetti dalla sindrome di Rett (una condizione caratterizzata da convulsioni) e sono stati in grado di far crescere mini-cervelli con attività funzionale simile a parti del cervello umano. Ciò significava che erano in grado di osservare in modo sicuro e con successo modelli di attività elettrica che ricordano l’inizio delle convulsioni.
Questa ricerca mostra per la prima volta che alcuni aspetti della funzione cerebrale possono essere isolati e studiati in laboratorio fino al livello delle singole cellule viventi. Il vantaggio principale è che questi mini-cervelli possono essere coltivati per replicare aspetti delle funzioni cerebrali normali e malate, nonché per testare farmaci e trattamenti senza rischi per l’uomo o gli animali.
La scala del cervello umano è enorme, quindi ci sono ancora chiari limiti in termini di complessità delle strutture cerebrali che possono essere studiate, ma chiaramente questo campo emergente delle neuroscienze ha un potenziale da fantascienza.
Con la crescita esponenziale della potenza di calcolo negli ultimi decenni, i microchip sono diventati ogni anno sempre più piccoli. focalizzati sulla tecnologia della Brown University hanno ora sviluppato un computer wireless così piccolo che può essere facilmente mancato all’occhio umano. Soprannominati “neurograni” – perché hanno le dimensioni di un granello di sale – sono stati sviluppati per tracciare e monitorare l’attività cerebrale.
Questi computer ultra-piccoli sono in grado di registrare l’attività elettrica dei neuroni vicini e trasmettere i dati in modalità wireless. L'obiettivo era sviluppare un nuovo tipo di sistema di interfaccia cervello-computer (BCI), in cui una rete di mini-sensori può monitorare collettivamente aspetti significativi dell'attività cerebrale e inviare le informazioni a un hub vicino.
In un esperimento di prova, i ricercatori hanno implementato una rete per registrare con successo l'attività neurale di un roditore con una precisione molto maggiore di quanto mai ottenuto prima. Questa registrazione dei segnali cerebrali con un dettaglio senza precedenti è ancora nelle sue fasi iniziali, ma la svolta tecnologica promette molto perché sarà in grado di convertire le onde cerebrali in azioni utili nel mondo reale senza alcuno sforzo fisico.
Quest'anno un nuovo tipo di array di microelettrodi è stato utilizzato per creare una forma di visione artificiale tramite una protesi visiva. Gli scienziati dell'Università dello Utah presso il John A. Moran Eye Center hanno costruito il dispositivo per registrare e stimolare l'attività neuronale all'interno della corteccia visiva.
Impiantato nell'occhio, il dispositivo riceve informazioni visive attraverso occhiali contenenti una piccola videocamera, mentre i dati vengono elaborati da un software specializzato. Il dispositivo attiva quindi i neuroni della retina per produrre fosfeni, come se ricevessero punti luminosi. A sua volta, consente alle immagini di base di linee e forme di essere percepite dalla mente.
Sperimentato con un paziente completamente cieco, questo metodo si è rivelato efficace e non ha comportato complicazioni derivanti dall'intervento chirurgico o dalla stimolazione neuronale. In questo primo test è stato utilizzato un solo array. Tuttavia, il prossimo obiettivo è utilizzare da 7 a 10 array per fornire immagini più dettagliate che consentiranno ai non vedenti di navigare effettivamente nel mondo visivamente.
Una nuova classe di "molecole danzanti" è stata applicata dai ricercatori della Northwestern University per riparare i tessuti in gravi lesioni del midollo spinale e invertire con successo la paralisi . La parte danzante prevede la manipolazione del movimento di queste molecole in modo che possano farsi strada verso recettori cellulari normalmente impossibili da raggiungere, al fine di spingerle a mettersi in moto per riparare i tessuti nervosi.
Queste molecole apparentemente magiche funzionano attivando segnali a cascata, innescando la rigenerazione degli assoni e aiutando i neuroni a sopravvivere dopo un infortunio incoraggiando la nascita di una varietà di nuovi tipi di cellule. Questo a sua volta supporta la ricrescita dei vasi sanguigni persi necessari per la guarigione cellulare.
Testato sui topi, una sola iniezione della terapia molecolare ha permesso ai topi paralizzati di camminare di nuovo in meno di quattro settimane. In modo piuttosto conveniente, 12 settimane dopo (ben dopo il completamento del recupero), i materiali si biodegradano in nutrienti per le cellule senza alcun effetto collaterale, scomparendo di fatto dal corpo in modo naturale.
La realtà virtuale (VR) è stata utilizzata dagli psicofisici per decenni per studiare il modo in cui percepiamo le informazioni sensoriali. Quest'anno i ricercatori dell'Università di Basilea, la più antica università della Svizzera, hanno sviluppato un'applicazione di realtà virtuale per trattare effettivamente la fobia dell'altezza .
Chiamato Easyheights , il software compatibile con smartphone fornisce la terapia dell'esposizione utilizzando immagini a 360° di luoghi reali. Indossando un visore VR, gli utenti stanno su una piattaforma che inizia a un metro dal suolo e poi si alza progressivamente man mano che gli utenti si acclimatano a ogni livello di altezza. Funziona aumentando l'esposizione sensoriale all'altezza senza aumentare il livello di paura.
Uno studio clinico ha dimostrato l'efficacia di questa forma di trattamento immersivo, producendo riduzioni significative della fobia in situazioni di altezza reale. I benefici sono stati riscontrati con sole quattro ore di formazione a domicilio. Questa scoperta mostra come la combinazione delle conoscenze neuroscientifiche con le tecnologie odierne possa migliorare clinicamente la qualità della vita delle persone in modi facilmente accessibili.
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Ecco alcune affascinanti scoperte neuroscientifiche sul cervello umano che potresti non conoscere.
Una varietà di approcci di ricerca NeuroTracker hanno portato ad alcune informazioni affascinanti su come il cervello influenza le prestazioni e il benessere umani
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