Capire dettagliatamente come funziona il cervello, ricostruendo con precisione la mappa dei circuiti cerebrali che coordinano visione e movimento. Grazie a tecniche all’avanguardia, applicate in pochi laboratori al mondo, basate sul ricorso a proteine fluorescenti in grado di tracciare i neuroni e a virus ingegnerizzati in grado di trasportarle da un neurone all’altro. Così Federico Rossi, neuroscienziato coordinatore del laboratorio FANCi dell’IIT di Rovereto, riesce a registrare l’attività dei neuroni in vivo e in diretta, mentre il cervello ordina compiti e reazioni, aprendo la strada alla comprensione delle precise funzioni di una singola rete neurale
Aria da ragazzo, accento toscano, nonostante il notevole curriculum scientifico Federico Rossi al primo impatto conquista soprattutto per la sua simpatia: sono riuscita ad acchiapparlo facendo lo slalom tra i numerosi impegni che caratterizzano la sua attività di scienziato giovane, ma già affermato. E soprattutto molto appassionato al suo lavoro.
Dopo il liceo scientifico ‘Francesco Redi’ ad Arezzo («una sezione sperimentale che potenziava diverse materie scientifiche», racconta) e la laurea in neurobiologia alla Normale di Pisa, Federico Rossi ha percorso una lunga esperienza di ricerca internazionale, prima ad Harvard, ancora da studente magistrale, poi per quasi 12 anni alla University College London (UCL), uno dei poli dominanti per le neuroscienze in Europa. Qui ha svolto prima il dottorato e in seguito diversi anni di ricerche post-dottorato, specializzandosi in neuroscienze dei circuiti e dei sistemi.
Oggi ha fondato e coordina il Functional Architecture of Neural Circuits lab, in breve FANCi lab (gioco di parole con l’inglese fancy per ‘voglia’, ‘immaginazione’, ‘ricercato’), laboratorio di Architettura funzionale dei Circuiti neurali presso il Centro dell’Istituto italiano di Tecnologia aRovereto, finanziato, oltre che dall’IIT, dalla Armenise Harvard Foundation (che aveva già sostenuto il suo primo soggiorno ad Harvard) e da Human Technopole, grazie a un Early Career Fellowship Programme ottenuto nel 2022.
La passione di Federico Rossi è capire il cervello. Più precisamente: capire nel modo più dettagliato possibile come è strutturato e come funziona: che relazione c’è tra la struttura di una rete di neuroni e le funzioni da questa svolte? Per rispondere a queste domande, il gruppo di Rossi applica tecniche di imaging molto avanzate, che consentono di leggere l’attività del sistema nervoso in diretta durante il suo funzionamento e in modo estremamente dettagliato, ricostruendo il percorso degli impulsi e le connessioni tra neuroni.
Il suo racconto ci ha aperto una finestra su un mondo affascinante, ricchissimo di potenzialità.
Il sistema nervoso è forse la struttura naturale più affascinante che io conosca: una rete di miliardi di neuroni (se parliamo di quello umano) che scambiano segnali elettrici e chimici attraverso migliaia di connessioni. Anche le singole componenti, i neuroni, sono cellule bellissime dal punto di vista estetico, con quelle ramificazioni alle estremità… sembrano alberi, con chiome e radici, anche se ovviamente con tutt’altra funzione. Ma perché sono fatti così? Quali connessioni ne dirigono l’attività specifica? L’aspetto più affascinante è sicuramente capire che relazione c’è tra la loro struttura e la loro funzione.
Un po’ come capire come funziona un apparecchio elettrico?
«Sì, facciamo un esempio che aiuta a chiarire: studiare il funzionamento dei circuiti che compongono il sistema nervoso è un po’ come tentare di decifrare il funzionamento di un apparecchio, come una radio o un computer, senza avere il suo schema elettrico. Proprio come per comprendere e magari quindi riparare una radio è necessario possederne lo schema elettrico – identificando i diversi componenti, le loro funzioni e come sono collegati in moduli (nell’esempio della radio: ricevitore, amplificatore, altoparlante…) – così lo studio dei circuiti neurali cerca di mappare il “diagramma funzionale” del cervello. Con il problema che, nel caso del cervello, non abbiamo il manuale d’istruzioni.
Che cosa si sa e che cosa volete scoprire?
«Sappiamo che ogni volta che percepiamo, pensiamo o ci muoviamo, questo accade perché si è attivata una specifica cascata di attività di neuroni. Ad esempio, diversi neuroni si attivano quando guardiamo qualcosa muoversi verso sinistra o verso destra, o quando rispondiamo muovendoci verso sinistra o verso destra. Tuttavia, si sa ancora poco su come le diverse funzioni cognitive dipendono dalle proprietà dei diversi tipi di neuroni e dall’architettura delle loro connessioni che dirigono il flusso di questa attività. In altre parole, non conosciamo il diagramma dei circuiti cerebrali che collegano i neuroni dedicati a diverse funzioni. In particolare, noi ci concentriamo sulle aree del cervello dedicate alla visione e al coordinamento della visione con i movimenti. Non è un compito facile. Pensiamo solo alle dimensioni: un neurone è largo circa 10 micron (un decimo della larghezza di un capello umano), e le connessioni sinaptiche sono larghe meno di un micron».
Utilizzate tecniche complesse e molto avanzate: ce le spieghi?
«La tecnica principale, quella che caratterizza la nostra ricerca, è una tecnica di registrazione ottica per immagini. Attraverso microscopi sofisticati possiamo guardare direttamente l’attività neuronale in modelli animali quando il cervello è sveglio e attivo. Grazie ai nostri esperimenti, riusciamo a misurare quali neuroni si attivano, mappando quali sono coinvolti negli stimoli visivi e nella risposta motoria, ottenendo dunque una mappa delle funzioni cerebrali con precisione di singola cellula. Questo è reso possibile dall’uso di particolari proteine ingegnerizzate per questo scopo, che riusciamo ad esprimere nei neuroni che ci interessano».
Proteine che hanno capacità speciali?
«Esatto: alcune rendono i neuroni fluorescenti permettendo di visualizzarne l’intera struttura ramificata (alberi dendritici e assonali) con altissima risoluzione; altre, sono invece sensibili all’attività: quando un neurone si attiva, cioè scambia segnali elettrici, la proteina diventa più luminosa. La combinazione di queste tecniche produce filmati in cui si vedono le cellule nervose, con la loro intricata architettura, che si “accendono e si spengono”, in corrispondenza dell’attivazione e disattivazione dei neuroni e parallelamente alla percezione di determinati stimoli ed all’esecuzione di determinate reazioni. Una visualizzazione diretta dell’elaborazione delle informazioni nel cervello, una sorta di “albero di Natale” di attività neuronale».
Che vantaggi ha questa tecnica rispetto alla registrazione dell’attività neuronale con elettrodi?
«Il vantaggio è offrire simultaneamente informazione su struttura e funzione: noi riusciamo a individuare con estrema precisione che tipo di neuroni si attivano esattamente e la loro struttura. Inoltre, la specialità, se si può dire, del mio laboratorio, che eseguiamo in pochi nel mondo, è la visualizzazione diretta delle connessioni tra neuroni. Utilizziamo dei virus sintetici, ovvero dei virus per nulla patogeni ma in grado di trasportare le proteine fluorescenti come una specie di “postini” biologici che vanno di porta in porta: i virus si propagano e, una volta che hanno rilasciato la proteina in un neurone, attraverso le connessioni di questo neurone passano al neurone successivo. Partendo da un solo neurone riusciamo così a vedere – grazie alla traccia fluorescente – qual è la rete di neuroni con cui è connesso. Combinando queste tecniche, otteniamo un esperimento che è stato per lunghi anni il sogno dei neuroscienziati: registrare l’attività di una rete di neuroni connessi tra di loro in vivo, mentre i neuroni sono attivi e si scambiano segnali. Così è possibile arrivare all’obiettivo ultimo: isolare un circuito neurale e capire che cosa fa. Una frontiera di questo sistema è la misura della plasticità, ovvero come le connessioni cambiano durante l’apprendimento, un elemento cruciale per distinguere il cervello da altri sistemi di calcolo, come i computer».
Quali sono le possibili ricadute pratiche delle tue ricerche?
«Arrivare a una conoscenza più precisa e approfondita del funzionamento delle reti neurali ha ricadute fondamentali: come nell’esempio della radio visto sopra, è difficile riparare un sistema senza conoscerne la struttura ed il funzionamento di tutte le parti. Spero quindi che le nostre scoperte contribuiscano ed aprano la strada alla comprensione dei meccanismi delle malattie nervose; esempi possibili sono l’autismo, la schizofrenia o l’Alzheimer, che si pensa siano legate proprio ad alterazioni del modo in cui le reti sono connesse. Un altro esempio molto attuale nel mio campo, la visione, è la creazione di impianti neuroprotesici volti alla possibilità di restituire la vista, che per essere realizzati richiedono una conoscenza precisa di quali neuroni stimolare e dove posizionare esattamente gli elettrodi. Mi aspetto che la più approfondita conoscenza dei circuiti neurali stimoli anche nuove idee e nuove applicazioni, anche al di là di quanto si può prevedere: nel campo delle neuroscienze sono tanti gli esempi di come la ricerca ha avuto un enorme effetto a cascata. Per esempio l’intelligenza artificiale: le famose deep neural networks sono state ispirate dall’anatomia del sistema visivo, così come le loro prime applicazioni, la classificazione di immagini».
