Come il cervello percepisce gli odori

18 Giugno 2020
Come il cervello percepisce gli odori

I ricercatori svelano il codice dell’olfatto. Un nuovo studio su come ripristinare le aree cerebrali danneggiate.

Per la prima volta, i ricercatori dell’Istituto italiano di tecnologia (Iit), in collaborazione con la New York University, sono riusciti a trasmettere un odore artificiale direttamente alle cellule nervose del bulbo olfattivo, una delle zone del cervello in cui viene elaborato il senso dell’olfatto. Lo studio è stato pubblicato su ‘Science’ e consente di individuare elementi fondamentali per la comprensione del linguaggio del cervello. Una ricerca che apre la strada allo sviluppo di protesi nervose in grado di ripristinare il funzionamento di aree cerebrali danneggiate.

La ricerca è stata svolta nell’ambito della Brain initiative, finanziata dai National Institutes of Health statunitensi, che promuove lo sviluppo di nuove tecnologie per comprendere i meccanismi di funzionamento dei circuiti neuronali.

Il team di esperti è stato guidato da Stefano Panzeri, coordinatore del Centro Iit di Neuroscienze e Scienze cognitive di Rovereto e responsabile del laboratorio Neural computation. Ricorrendo all’utilizzo di algoritmi di machine learning, i ricercatori hanno sviluppato modelli matematici in grado di interpretare e tradurre la lingua delle cellule nervose legate alla percezione degli odori, riuscendo così a comprendere come il cervello elabora lo stimolo olfattivo. Questo lavoro ha di fatto creato una ‘stele di rosetta’ per comprendere la lingua del sistema nervoso per quanto riguarda l’odore e la sua percezione.

Gli esperimenti

Per gli esperimenti, svolti dal gruppo di ricerca della New York University, è stato utilizzato un odore artificiale realizzato con il modello matematico sviluppato dai ricercatori Iit, che è poi stato trasmesso alle cellule nervose del bulbo olfattivo di un modello animale utilizzando tecniche di optogenetica, una metodica che permette di accendere e spegnere, tramite l’applicazione di piccoli fasci luminosi sul tessuto cerebrale, i neuroni responsabili dell’analisi dell’informazione sensoriale. Tale stimolo virtuale è stato tradotto in sequenze temporali e spaziali di luce e, agendo su queste variabili, i ricercatori sono riusciti a creare una sensazione virtuale modulando i segnali olfattivi trasmessi al cervello, anche in assenza di odori reali presenti all’esterno.

In precedenza, si erano solo ipotizzati i meccanismi che il cervello usa per processare l’informazione olfattiva ‘ascoltando’ le cellule nervose. Ora, per la prima volta, il team internazionale è stato in grado anche di ‘parlare’ direttamente al cervello, ricevendo un riscontro concreto sulla comprensione del messaggio e dimostrando così di avere capito il linguaggio del cervello.

Come il cervello combina l’attività dei neuroni del sistema olfattivo

“Il nostro team – spiega Panzeri – ha fornito gli strumenti matematici per decodificare il codice neurale, generando una formula matematica che spiega come il cervello combina l’attività dei neuroni del sistema olfattivo per produrre le sensazioni. Lo studio – argomenta – dimostra per la prima volta come l’alfabeto del cervello combina e organizza la sequenza temporale dell’attivazione di diversi gruppi di neuroni posizionati in diverse parti del cervello, come l’alfabeto scritto o quello musicale combinano in una sequenza temporale diverse lettere o note per generare il significato di una frase o il piacere di una canzone”.

“Finora sono state utilizzate per comunicare con le cellule nervose solo porzioni dell’alfabeto della loro lingua separatamente. In pratica si è comunicato con il cervello utilizzando solo una lettera alla volta – aggiunge la ricercatrice Iit Monica Moroni, tra i principali autori dello studio – mentre ora abbiamo dimostrato come si fa a combinare le diverse lettere, che per noi sono l’attivazione di diversi gruppi di neuroni, per comporre nel tempo ‘frasi’ articolate e fornendo un messaggio direttamente ai neuroni con una articolazione senza precedenti”, conclude.

Come capire i malfunzionamenti del sistema nervoso

Questo lavoro – sottolineano dall’Iit – sul breve periodo fornirà strumenti fondamentali per la ricerca nell’ambito delle neuroscienze. In particolare permetterà di aiutare a capire i malfunzionamenti del sistema nervoso ‘dialogando’ con una parte del cervello per capire come funziona o perché non funziona, analogamente a quanto fa un dottore nel chiedere a un paziente come si sente, anche se per arrivare a questo tipo di applicazioni cliniche sarà ancora necessario affinare maggiormente la gamma di ‘vocaboli’ di questa nuova lingua per comunicare in maniera sempre più efficace.

Nel più lungo periodo, si apre invece la strada alla riparazione degli organi di senso danneggiati mediante interfacce artificiali e protesi nervose che potranno dialogare efficacemente con il cervello.



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