Idan Segev: “Costruiamo una macchina per capire il cervello”

Creare l’organo. Grazie a un modello che ne riproduca i milioni di connessioni. È l’obiettivo di un visionario
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“È la nostra creatività a renderci unici. E i milioni di connessioni che si intrecciano nel nostro cervello, permettendoci di pensare e di creare”: ad affermarlo è Idan Segev, professore di neuroscienze computazionali dell’Università di Gerusalemme, uno dei promotori del progetto internazionale Blue Brain che punta a creare un modello di cervello ad altissima risoluzione, come spiega lui stesso: “Una macchina che ci aiuti a capire cosa succede nel nostro cervello quando si manifesta il Parkinson o un’altra patologia”. Segev ha presentato queste ricerche nel suo intervento a Human brains, il progetto di Fondazione Prada su “Cervello e coscienza”. L’abbiamo raggiunto, virtualmente come impongono i tempi, nel suo studio di Gerusalemme per farci spiegare cosa ci dobbiamo aspettare dal progetto Blue Brain: “Cerchiamo innanzitutto di capire cosa rende unico il nostro cervello, quali sono le nostre peculiarità rispetto ad altre specie”, spiega Segev: “Sappiamo che non sono le dimensioni: ci sono persone che hanno vinto il premio Nobel il cui cervello è più piccolo di quelli di molti di noi. Forse le performance del cervello dipendono dal numero di cellule che lo compongono, e soprattutto dalla quantità di connessioni tra regioni diverse: connessioni che ci permettono di creare simboli. Per esempio, se parliamo di un bicchiere, sono le connessioni che ci permettono di immaginarne contemporaneamente la forma, il materiale di cui è fatto, ma anche il suo contenuto”.

Blue Brain nasce nel 2005 in Svizzera, ma è oggi una collaborazione internazionale: “Parliamo di un percorso impegnativo, che ci terrà occupati per i prossimi venti o trent’anni”, sottolinea Segev. In pratica si tratta di tradurre in equazioni matematiche l’attività elettrica e quella biochimica delle cellule nervose, per riprodurla su un computer, a partire dagli elementi più semplici: “Tra un neurone e un microchip ci sono similitudini, ma il neurone è molto più complesso. Il mio compito è proprio capire questa complessità”, ricorda il neuroscienziato. I microchip sono una sorta di “cancello” con due soli stati possibili, acceso o spento, 1 o 0. “E in qualche modo anche le cellule nervose funzionano così, sono attive e non attive”, prosegue. “È proprio questa similitudine che ha portato, nel 1943, alla costruzione del primo computer. Ma il neurone è molto più sofisticato del microchip, ha una struttura ad albero che riceve segnali in modo sempre diverso”.  E poi i computer che abbiamo oggi sono statici, i neuroni, invece, sono plastici: si modificano in base all’esperienza. “In effetti, le ultime generazioni di computer, che sono in grado di apprendere dall’esperienza, si ispirano a quello che sappiamo delle nostre strutture nervose: una simbiosi interessante”, ricorda Segev: “Con il nostro cervello umano abbiamo progettato i computer prendendo spunto dal nostro cervello. E oggi, con il progetto Blue Brain, li stiamo usando per capirlo meglio, per arrivare a riprodurre stati patologici, per capirli e in futuro curarli”. Non a caso, il progetto si chiama Blue brain in onore del supercomputer IBM che è stato utilizzato fin dall’inizio. “E anche di Deep blue, il computer progettato per giocare a scacchi che ha sconfitto Kasparov”, aggiunge Segev. Che racconta le sue ricerche spaziando dalla neurologia all’informatica e all’arte: “Le immagini di Blue Brain sono bellissime”, si entusiasma: “Contiamo di esporle nel 2022 alla Biennale di Venezia, in occasione della mostra sul cervello che chiuderà Human Brains”. 

Per Segev il dialogo tra arte e scienza può aiutarci a progredire nella nostra attività: Leonardo e Michelangelo si interessavano di fisiologia. “L’interazione tra discipline abitualmente separate ti fa uscire dal tuo linguaggio abituale, dalla tua scatola, e da questo possono nascere nuove metafore e nuove idee”, dice.  Per questo Segev organizza seminari che riuniscono artisti e scienziati, con tutte le difficoltà – racconta sorridendo – di tenere insieme modi di pensare tanto diversi: “Ma proprio in uno di questi incontri mi è arrivata una delle migliori domande che mi abbiano mai fatto: 'Di chi è questo cervello? Del cervello di chi stiamo parlando?'”. Già: Chi è Blue Brain? “È una simulazione, ma una simulazione molto sofisticata”, rivela Segev: “Qualcosa di molto diverso rispetto all’imaging, che non dà informazioni a livello di singole cellule”. La risonanza magnetica funzionale, per esempio, fa vedere l’attività di una regione cerebrale, “ed è fantastico, ma non individua la provenienza dei segnali", prosegue lo scienziato: "E anche l’elettroencefalogramma non permette di capire quale cellula entri in funzione rispondendo a uno stimolo. Se vedi un segnale anomalo sai che qualcosa non funziona, ma non il perché".

Blue Brain punta a riprodurre le connessioni tra cellule a una risoluzione di un millesimo di millimetro: "In un millimetro cubo di cervello ci sono migliaia e migliaia di cellule e di connessioni, pensiamo al numero di equazioni necessarie per riprodurlo", fa notare lo scienziato. E la ricerca si concentra su modelli animali, gli unici in grado di fornire il materiale biologico necessario per tradurne l’attività in un algoritmo. "Ora stiamo lavorando su un cervello standard, nel senso che i dati che utilizziamo vengono da studi su soggetti diversi", spiega Segev. Che guardando al futuro, dice: "Ma l’obiettivo è riprodurre uno specifico cervello di un singolo individuo". 

Obiettivo non certo vicino. Anche se i lavori si arricchiscono. "Sei mesi fa siamo arrivati a realizzare, grazie a un supercomputer che si trova a Lugano, in Svizzera, la corteccia cerebrale di un ratto, che comprende diversi milioni di cellule. Abbiamo completato anche l’ippocampo, e stiamo lavorando sul cervelletto". Si opera su singole aree costruendo un puzzle che viene piano piano messo insieme. "In futuro ci aiuterà la connettomica, la scienza che studia l’insieme dei collegamenti tra tutti i neuroni: una sorta di road map che ci permetterebbe di essere molto più accurati", spiega ancora Segev: "Quando avremo completato il nostro lavoro, potremo attivare il modello e capire come si muovono questi segnali, quali cellule si attivano quando succede qualcosa".

L’obiettivo è quello di capire le malattie neurologiche, ma anche la coscienza e le emozioni. "Le emozioni in qualche modo le stiamo già studiando: hanno una base fisica, anche se la scienza ancora non è in grado di comprenderle; può semmai manipolarle, possiamo provocare artificialmente gioia e paura, ma non siamo in grado di spiegarle", racconta Segev: "Noi stiamo provando a farlo. La paura, per esempio, è una delle emozioni fondamentali che anche gli animali provano: possiamo già cercare di capire che cosa succede nel cervello di un ratto spaventato". La prossima tappa del lavoro di questo scienziato visionario è ricostruire un cervello umano. "Non è un obiettivo facile, e ci sono problemi etici da risolvere, ma abbiamo già cominciato", annuncia lo scienziato: "La difficoltà è reperire le cellule nervose di cui registrare l’attività, ma negli ultimi anni alcuni ospedali ci fanno arrivare piccole porzioni di tessuto cerebrale sano che sono prelevate in caso di interventi chirurgici, per esempio, durante l’asportazione di un tumore: abbiamo già pubblicato alcuni studi di questo tipo". 

Ma nel cuore di Segev c’è anche un altro progetto: si chiama Frontiers for young minds (kids.frontiersin.org). È una rivista scientifica – disponibile oggi in inglese ed ebraico e, domani, forse in arabo e cinese – in cui un comitato di direzione composto da ragazzini valuta gli articoli scritti dai ricercatori, bocciandoli se non sono sufficientemente comprensibili. "È fondamentale che i giovanissimi conoscano la scienza, sappiano come orientarsi in un mondo che cambia così rapidamente", conclude Segev: "Questi bambini tra dieci anni vivranno in un mondo pieno di robot, che non ci rimpiazzeranno, certo, ma diventeranno una nostra estensione. È importante che siano preparati".