Human Brain Project, un cervello umano virtuale per sconfiggere Alzheimer e Parkinson

Miriam Paola Agili | 31/05/2011 13:17

L’Università di Pavia rientra fra gruppi di ricerca coinvolti nel progetto HBP - Human Brain Project, ideato dal professor Henry Markram (EPFL, Losanna) e presentato al Politecnico di Torino. L’obiettivo è comprendere i principi funzionali del cervello umanno, costituito da 100 miliardi di neuroni e da un milione di miliardi di sinapsi, sfruttando modelli e simulazioni  operate da un supercomputer, per trovare nuove cure delle principali malattie degenerative delle cellule celebrali. L’Italia si propone per un ruolo di primo piano nel progetto, candidato all’attribuzione di uno dei due finanziamenti da 1 miliardo di euro previsti dall’ICT FET Flagships Initiative dell’Unione Europea.

“Entro il 2023 potremo trovare nuove cure per le malattie mentali con un simulatore che riprodurrà integralmente un cervello umano, emozioni comprese”: Henry Markram del Brain Mind Institute dell'École Polytechnique di Losanna, lo sostiene con convinzione alla presentazione italiana di HBP - Human Brain Project, progetto di dimensioni europee che si propone di riprodurre un “cervello artificiale” grazie all’uso di supercalcolatori.

Il cervello umano si comporta come un computer super performante, energeticamente autonomo, capace di ripararsi da solo e di auto apprendere. La scienza, allo stato attuale, ha compreso moltissimi aspetti del funzionamento del cervello, e dall’altra parte ha sviluppato macchine di calcolo potentissime. Mettendo insieme le conoscenze neurologiche che i ricercatori hanno acquisito  sul funzionamento delle molecole celebrali, le cellule, i circuiti neuronali e quelle sui più potenti database attualmente sviluppati grazie alle tecnologie ICT, si può costruire un simulatore biologicamente molto dettagliato dell’intera attività del cervello umano.

Gli studi nel settore sono già piuttosto avanzati, grazie agli elevati livelli tecnologici oggi disponibili e alla solida base costituita dai precedenti studi di Markram: nel 2007, la sua equipe era riuscita a modellizzare il funzionamento biologico di 10mila neuroni della corteccia cerebrale dei topi; l'obiettivo dello HBP, sfruttando i progressi negli algoritmi di modellizzazione e nella tecnologia, è quello di riuscire a costruire un modello dei 100 miliardi di neuroni di un cervello umano su un solo supercomputer. Un meccanismo che permetterebbe di trovare nuove cure per le principali malattie degenerative delle cellule cerebrali, come Alzhaimer e Parkinson, ma anche per patologie dovure ad altri meccanismi, come la schizofrenia e l’autismo.

Accedere al finanziamento dell’Unione Europea a cui si candida il progetto potrebbe permettere un’accelerazione sostanziale e il raggiungimento degli obiettivi in tempi rapidi. HBP è già stato selezionato tra i sei progetti candidati all’ICT FET Flagships Initiative dell’Unione Europea per iniziative di ricerca particolarmente significative per portata e competenze multidisciplinari espresse. I progetti finanziati saranno due e ciascuno riceverà una dotazione economica da parte dell’UE di 1 miliardo di euro in dieci anni.

L’Italia è attualmente presente con sei ricercatori nel gruppo di oltre 150 scienziati che stanno lavorando alla predisposizione della proposta di finanziamento per il progetto HBP. I rispettivi enti di appartenenza (Politecnico di Torino, Università di Pavia, Università di Firenze, LENS e CNR con gli istituti di Scienze e Tecnologie della Cognizione, di Biofisica e di Ricerche sulla Popolazione e le Politiche Sociali)  hanno dato vita ad un “cluster” nazionale che si propone di ricoprire un ruolo di primo piano nella predisposizione e, successivamente, nell’esecuzione del progetto, sia mettendo a disposizione l’eccellenza delle proprie competenze e risorse scientifiche multidisciplinari, sia impegnandosi per reperire un’adeguata dotazione economica pubblica per il cofinanziamento dell’iniziativa, clausola essenziale per l’ingresso del nostro Paese nel progetto.

Un progetto che potrebbe portare a benefici sociali enormi. Questi modelli aiuteranno infatti a comprendere le cause profonde delle malattie neurologiche e a diagnosticarle già dai primi sintomi, quando è più facile curarle. Sarà anche più semplice e meno costoso sperimentare l’effetto di nuovi farmaci, limitando la sperimentazione animale ed umana. Questi rilevanti risultati medici avranno anche delle conseguenze importanti dal punto di vista economico, considerato che le malattie neurologiche costituiscono una delle principali voci di spesa nei bilanci della sanità dei paesi europei. In ultimo, un aspetto considerevole del progetto sarà quello della rivoluzione tecnologica che potrebbe produrre, rendendo possibile la realizzazione di robot, computer, sensori, estremamente più potenti e performanti, dotati di un’intelligenza “quasi umana”.

“Il gruppo di ricerca dell’Università di Pavia diretto dal Professor Egidio D’Angelo, in associazione con l’IRCCS Istituto Neurologico Nazionale C. Mondino, porterà alla generazione del primo modello computazionale realistico del cervelletto. Tale componente fondamentale verrà integrata nel modello del cervello dello Human Brain Project. Le simulazioni saranno supportate da ricerca sperimentali cellulari ed applicate all’uomo - ha asserito Egidio d’Angelo dell’Università di Pavia.

 

Il gruppo dell’Università di Pavia fa capo al Brain Connectivity Center (BCC), centro di ricerca diretto da Egidio D’Angelo, che associa i laboratori di Neurofisiologia e di altri dipartimenti dell’Universita (Fisica, Psicologia, Bioingegneria) e varie unità di ricerca dell’Istituto Neurologico Nazionale IRCCS C.Mondino. Il BCC è specializzato nello studio delle funzioni cellulari del sistema nervoso e nella loro modellizzazione matematica.

L’attività sperimentale fa uso delle più sofisticate tecniche di biofisica e fisiologia cellulare e di modellistica. Inoltre, il BCC si occupa dell’analisi neurofisiologica clinica, anche applicata alle patologie neurologiche e psichiatriche, avvalendosi di tecniche di indagine non-invasiva come fMRI (risonanza magnetica nucleare funzionale), TMS (stimolazione magnetica transcranica), MEG (magnetoencefalografia). Gli studi del BCC si concentrano sulle funzioni dei neuroni e sulla plasticità sinaptica, i due capisaldi della elaborazione dei segnali e dell’apprendimento e memoria nel sistema nervoso centrale. Il BCC dirige correntemente due progetti Europei, CEREBNET e REALNET, sullo studio sperimentale e modellistico del cervelletto.Il BCC avrà un coinvolgimento fondamentale nello Human Brain Project (HBP), che si ripropone di simulare mediante modelli computazionali realistici, le funzioni del cervello umano. L’attività centrale del BCC sarà la modellizzazione del cervelletto, una struttura neurale che contiene circa metà di tutti i neuroni del cervello.

Il cervelletto accelera e riorganizza le operazioni della corteccia cerebrale ed è fondamentale per l’acquisizione della memoria implicita (la parte della memoria non cosciente che consente le operazioni automatiche). Il cervelletto determina il  corretto funzionamento del sistema sensori-motorio ed è coinvolto nella elaborazione di funzioni cognitive ed emotive. La modellizzazione prevede la ricostruzione di tutti i principali tipi neuronali e delle loro  connessioni sinaptiche.

La ricerca prevede un’articolazione in tre sottoprogetti dedicati alla ricostruzione della rete del cervelletto e della plasticità sinaptica, il processo di apprendimento e memoria a livello cellulare. Prototipi di sezioni di tale modello sono già disponibili nel BCC, ma la dimensione del modello completo sarà tale da richiedere l’impiego di supercomputer per le simulazioni e la elaborazione dei dati. Il modello verrà costruito in modo tale da poter essere facilmente integrato nel simulatore del centro di controllo dello HBP a Politecnico di Losanna (EPFL). Per generare un modello computazionale di tale complessità sono necessarie informazioni derivanti dalla sperimentazione biologica. Il BCC si incaricherà di svolgere ed organizzare tale ricerca sul cervelletto medainte sette sottoprogetti.

La ricerca verrà dedicata allo studio della codificazione dei segnali neuronali ed alla plasticità sinaptica sviluppando ed impiegando tecnologie di avanguardia, come neuro-chips da impiantare nel tessuto cerebrale e un microscopio multi-fotone a scansione ultra-rapida. Inoltre, verranno impiegate fMRI, MEG e TMS per studiare il funzionamento dei circuiti neuronali che connettono il cervelletto alla cortexxia crebrale durante specifici comportamenti umani (incluso il linguaggio e varie funzioni cognitive e sensori-motorie). I risultati verranno poi utilizzati per costruire il modello del cervelletto e verificarne la funzionalità.

Il BCC giocherà un ruolo centrale per la integrazione della ricerca nel cluster italiano, operando congiuntamente con il CNR di Palermo (Professor Migliore) e di Napoli (Professor Miglino), l’Università di Firenze (Professor Pavone) e il Politecnico di Torino (Professor Macii) e integrando direttamente i suoi risultati al centro di simulazione di HBP al Politecnico di Losanna (Professor Markram). Gli studi, che coinvolgono numerosi ricercatori italiani e stranieri e saranno coordinati con altri progetti della Unione Europea e dei Ministeri Italiani  della Ricerca e della Salute, saranno di rilevanza sia a livello tecnologico (ICT – Information Communication Technology) che biomedico promuovendo la comprensione delle funzioni cerebrali e delle loro patologie.

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