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Anno dopo anno, il ritmo delle scoperte neuroscientifiche è al tempo stesso entusiasmante e inarrestabile. Dai mini-cervelli sviluppati in laboratorio all'intelligenza artificiale che svela i segreti evolutivi del cervello umano, godetevi queste 7 delle scoperte più sorprendenti del 2021.
Un team di ricerca dell'Università della California di 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 si manifestano. La stimolazione cerebrale profonda prevede l'impianto di elettrodi nel cervello per erogare correnti elettriche che alterano l'attività cerebrale.
Studi precedenti hanno avuto un successo limitato nel trattamento della depressione con la DBS, poiché i dispositivi potevano erogare una stimolazione elettrica costante solo in un'area del cervello. Tuttavia, la depressione può colpire diverse aree del cervello e le caratteristiche 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 specifico schema di attività cerebrale predice efficacemente l'insorgenza dei sintomi. Grazie a questa conoscenza, il team ha personalizzato una nuova tecnologia DBS che si attiva solo quando e dove riconosce tale schema.
Questo tipo di terapia automatica on-demand è impressionante perché le sue risposte funzionali sono uniche sia per il cervello del paziente che per il circuito neurale che causa la malattia. Nel suo primo esperimento, questo metodo DBS personalizzato è stato testato su un paziente affetto da depressione grave e ha superato brillantemente il test. Quasi immediatamente, i sintomi del paziente si sono alleviati, e la situazione è rimasta tale a lungo termine.
Nell'era del COVID, in cui ansia e problemi di salute mentale stanno diventando sempre più diffusi, questo approccio potrebbe rivelarsi una terapia inestimabile e 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 ci circondano. In genere, possiamo percepire solo frequenze comprese tra 20 Hz e 20.000 Hz; oltre questa soglia si parla di ultrasuoni. Questa è la gamma di frequenze in cui operano animali come i pipistrelli, ed è anche quella utilizzata nelle ecografie mediche.
Un nuovo metodo che utilizza una tecnologia sofisticata è stato sperimentato dagli scienziati dell'Università di Aalto e ha portato alla creazione di un dispositivo che fornisce agli esseri umani un udito paragonabile a quello dei pipistrelli. Ciò include non solo la capacità di percepire frequenze ben oltre i 20.000 Hz, ma anche di discernere la direzione e la distanza delle sorgenti sonore. Ai biologi, ad esempio, consente di seguire in volo pipistrelli altrimenti furtivi e di localizzarne la posizione.
Funziona registrando gli ultrasuoni tramite un array di microfoni sferici, che rilevano i suoni ultrasonici e utilizzano un computer per tradurne l'altezza in frequenze udibili. Quindi riproducono le onde sonore convertite tramite cuffie in tempo reale. Essere in grado di percepire suoni normalmente impercettibili potrebbe avere preziose applicazioni industriali, ad esempio per sentire e localizzare perdite di gas altrimenti silenziose.
Sebbene le neuroscienze siano un campo scientifico relativamente giovane e in rapida crescita, l'intelligenza artificiale (IA) è molto più recente e in rapida crescita. Il potenziale della combinazione di questi due campi della scienza è stato svelato dai ricercatori del MIT.
Utilizzando l'apprendimento automatico, hanno scoperto che le reti neurali artificiali possono autoapprendere come percepire gli odori in pochi minuti, imitando di fatto i circuiti olfattivi del cervello dei mammiferi. Questo è un risultato significativo perché l'algoritmo messo in atto non aveva alcuna 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 in modo così fedele 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 potrebbe inaugurare una nuova era, in cui l'intelligenza artificiale ci insegnerà i segreti più reconditi dell'evoluzione biologica. L'olfatto è il punto di partenza nel 2021, ma chissà dove potrebbe portarci..
I ricercatori dell'Università della California a San Francisco hanno sviluppato un nuovo tipo di neuroprotesi vocale per pazienti paralizzati, che impedisce loro di parlare. Il metodo è stato testato con successo su un uomo con un tronco encefalico gravemente danneggiato, che ha causato una paralisi totale del corpo.
È sorprendente che funzioni rilevando i segnali cerebrali correlati al linguaggio che controllano le corde vocali. Quando parliamo, le corde vocali richiedono istruzioni motorie complesse per articolare l'ampia varietà di suoni che utilizziamo durante una conversazione. Anche quando non siamo in grado di muoverci, questi segnali possono comunque essere inviati dal cervello.
Utilizzando registrazioni cerebrali di pazienti epilettici, gli scienziati hanno sviluppato un metodo per la decodifica in tempo reale delle istruzioni impartite ai muscoli vocali, trasformandole in parole. Da questi schemi neurali, sono stati in grado di distinguere in modo affidabile 50 diverse parole comuni, ogni volta che il paziente le stava pensando.
Tutto ciò che era necessario era che il paziente indossasse un array di elettrodi ad alta densità per catturare e registrare l'attività neurale, che a sua volta registrava i segnali provenienti dalla corteccia motoria del linguaggio. Questo consentiva 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 realmente parlando e poteva comunicare centinaia di frasi diverse scegliendo tra le 50 parole del vocabolario.
Sebbene questa scoperta sembri limitata ai pazienti paralizzati, ogni notte siamo paralizzati quando sogniamo (a meno che non siamo sonnambuli). Se sufficientemente evoluto, questo approccio potrebbe, ad esempio, aprire la strada alla traduzione dei nostri stessi pensieri durante il sonno!
Tecnicamente definiti "organoidi cerebrali", questi mini-cervelli possono essere coltivati a partire da cellule staminali pluripotenti indotte. Queste cellule staminali possono essere prelevate dalla pelle o dal sangue di una persona e hanno il potenziale di trasformarsi in qualsiasi tipo di cellula. Il vantaggio è che strutture cellulari normalmente molto difficili da raggiungere possono, in linea di principio, essere coltivate e isolate per lo studio. Ciò è particolarmente rilevante per il cervello, tuttavia i mini-cervelli creati in precedenza presentavano strutture funzionali limitate.
Quest'anno, gli scienziati dell'UCLA hanno compiuto un salto di qualità nella complessità strutturale, coltivando aggregati di organoidi per formare complesse strutture cerebrali tridimensionali. I ricercatori hanno prelevato cellule staminali da pazienti affetti da sindrome di Rett (una patologia caratterizzata da convulsioni) e sono riusciti a coltivare mini-cervelli con un'attività funzionale simile a quella di alcune parti del cervello umano. Ciò ha permesso loro di osservare in modo sicuro ed efficace i modelli di attività elettrica che simulano l'insorgenza di una crisi epilettica.
Questa ricerca dimostra per la prima volta che alcuni aspetti delle funzioni cerebrali 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 patologiche, nonché per testare farmaci e trattamenti senza rischi per l'uomo o gli animali.
Le dimensioni del cervello umano sono enormi, quindi ci sono ancora chiari limiti in termini di complessità delle strutture cerebrali che possono essere studiate, ma è chiaro che questo campo emergente delle neuroscienze ha un potenziale degno della fantascienza.
Con la crescita esponenziale della potenza di calcolo negli ultimi decenni, i microchip sono diventati sempre più piccoli di anno in anno. Alcuni neuroscienziati specializzati in tecnologia presso la Brown University hanno ora sviluppato un computer wireless così piccolo da poter essere facilmente ignorato dall'occhio umano. Soprannominati "neurograin" – perché hanno all'incirca 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 di 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 potesse monitorare collettivamente aspetti significativi dell'attività cerebrale e inviare le informazioni a un hub nelle vicinanze.
In un esperimento di proof-of-concept, i ricercatori hanno implementato una rete per registrare con successo l'attività neurale di un roditore con una precisione molto maggiore di quanto mai raggiunto prima. Questa registrazione dei segnali cerebrali con un dettaglio senza precedenti è ancora in fase iniziale, ma la svolta tecnologica promette di convertire le onde cerebrali in azioni utili nel mondo reale senza alcuno sforzo fisico.
Quest'anno array di microelettrodi è stato utilizzato 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 dotati di una piccola videocamera, i cui dati vengono elaborati da un software specializzato. Il dispositivo attiva quindi i neuroni retinici per produrre fosfeni, come se ricevessero punti luminosi. A loro volta, consentono alla mente di percepire immagini elementari di linee e forme.
Sperimentato su un paziente completamente cieco, questo metodo si è dimostrato efficace e non ha comportato complicazioni dovute all'intervento chirurgico o alla stimolazione neuronale. In questo primo test è stato utilizzato un solo array. Tuttavia, l'obiettivo successivo è utilizzare da 7 a 10 array per fornire immagini più dettagliate che consentano ai non vedenti di orientarsi visivamente nel mondo.
Una nuova classe di "molecole danzanti" è stata applicata dai ricercatori della Northwestern University per riparare i tessuti in caso di gravi lesioni del midollo spinale e per invertire con successo la paralisi. La parte "danzante" consiste nel manipolare il movimento di queste molecole in modo che possano farsi strada fino ai recettori cellulari normalmente irraggiungibili, stimolandoli così ad attivare il processo di riparazione dei tessuti nervosi.
Queste molecole apparentemente magiche agiscono innescando segnali a cascata, innescando la rigenerazione degli assoni e aiutando i neuroni a sopravvivere dopo una lesione, stimolando la nascita di diversi nuovi tipi di cellule. Questo a sua volta favorisce la ricrescita dei vasi sanguigni persi, necessaria per la guarigione cellulare.
Testato sui topi, una singola iniezione di terapia molecolare ha permesso ai topi paralizzati di tornare a camminare in meno di quattro settimane. Fortunatamente, 12 settimane dopo (ben oltre la completa guarigione), i materiali si biodegradano trasformandosi in nutrienti per le cellule senza effetti collaterali, scomparendo di fatto dall'organismo in modo naturale.
La realtà virtuale (VR) è utilizzata dagli psicofisici da 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 la fobia dell'altezza.
Chiamato Easyheights, questo software compatibile con smartphone offre una terapia di esposizione utilizzando immagini a 360° di luoghi reali. Indossando un visore VR, gli utenti si posizionano su una piattaforma che parte da un metro di altezza e sale progressivamente man mano che si abituano a ciascuna altezza. Il metodo funziona aumentando l'esposizione sensoriale all'altezza senza incrementare il livello di paura.
Uno studio clinico ha dimostrato l'efficacia di questa forma di trattamento immersivo, producendo significative riduzioni della fobia in situazioni di reale altezza. I benefici sono stati riscontrati con sole quattro ore di formazione domiciliare. Questa scoperta dimostra 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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Una discussione basata su prove concrete per stabilire se attività come cruciverba e sudoku migliorino significativamente la salute del cervello, chiarendo cosa favoriscono, cosa no e perché i benefici sono spesso fraintesi.
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