> FocusUnimore > numero 30 – ottobre/novembre 2022
EBRAINS-Italy: building a digital brain to understand physiological and pathological mechanisms
Unimore is the lead partner of EBRAINS-Italy, a project funded under the NRRP called ‘Strengthening and Creation of Research Infrastructures’ dealing with neuroscience, technology and computer science. With funding of more than EUR 22 million, its aim is to launch the Italian node of EBRAINS (European EUR Brain Research Infrastructures), which has taken over the scientific legacy of the EU flagship project ‘The Human Brain Project (HBP)’ to create a nationwide, widespread research infrastructure with the task of providing continuity to the numerous research initiatives on the human brain that began ten years ago with HBP. In the project, coordinated by Prof. Jonathan Mapelli of the Department of Biomedical, Metabolic and Neural Science, Unimore will participate by developing a mathematical and computational model of the human hippocampus derived from experimental data. The data obtained will be processed and used to reconstruct a model of the human hippocampus through the implementation of advanced neuroinformatics algorithms developed by NILAB’s Neurocomputation group (www.nilab.unimore.it). The model thus created can be used to build the first prototype of a digital twin of the hippocampus and then of the human brain to investigate physiological and pathological mechanisms of brain functioning in a non-invasive manner and to exploit this tool for digital predictive medicine by performing fully digitised pharmacological, clinical and diagnostic tests.
Un progetto ambizioso che viaggia al confine tra Neuroscienze, tecnologia e computer science e che fornirà agli scienziati ed agli sviluppatori di tecnologia i più avanzati strumenti di ricerca nelle Neuroscienze vede Unimore capofila.
EBRAINS-Italy è un progetto finanziato nell’ambito del bando PNRR “Rafforzamento e creazione di infrastrutture di Ricerca” ed è costituito da un consorzio guidato dal CNR e che riunisce 16 Istituzioni Italiane.
La proposta, che ha ricevuto un finanziamento di oltre 22 milioni di euro, ha come obiettivo quello di avviare il nodo italiano di EBRAINS (European Brain Research Infrastructures) che ha preso in carico l’eredità scientifica del progetto Flagship della UE: “The Human Brain Project (HBP)” per creare un’infrastruttura di ricerca diffusa ed operante a livello nazionale attraverso l’azione di consorzi nazionali appositamente costituiti e che avranno il compito di dare continuità alle numerose iniziative di ricerca sul cervello umano cominciate dieci anni fa con HBP. EBRAINS è stato recentemente inserito nella “ESFRI roadmap”, cioè la tabella di marcia delle infrastrutture di ricerca che sono ufficialmente nei piani strategici della UE fino al 2040.
Al progetto, coordinato dal prof. Jonathan Mapelli del Dipartimento di Scienze Biomediche, Metaboliche e Neuroscienze, Unimore parteciperà sviluppando un modello matematico e computazionale dell’ippocampo umano derivato da dati sperimentali. In Unimore verranno acquisiti dati funzionali dell’attività elettrica dell’ippocampo umano tramite matrici a multielettrodo ad altissima risoluzione ed informazioni morfologiche riguardo i neuroni dell’ippocampo umano ottenute tramite imaging a mezzo di microscopia multifotone e di microscopia a foglio di luce. I campioni saranno forniti dall’equipe del prof. Stefano Meletti del Scienze Biomediche, Metaboliche] e Neuroscienze e dalla Neurobiobanca di Unimore e saranno elaborati nel NILAB – Laboratorio di Intelligenza Neuromorfa di Unimore tramite sistemi di microscopia in grado di creare scansioni confocali di tessuti spessi. I dati così ottenuti saranno elaborati ed utilizzati per ricostruire un modello computazionale dell’ippocampo umano attraverso l’implementazione di algoritmi avanzati di neuroinformatica sviluppati dal gruppo di Neurocomputazione del NILAB (www.nilab.unimore.it).
Il modello così creato potrà essere utilizzato per la costruzione del primo prototipo di gemello digitale di ippocampo e poi di cervello umano con l’intento da un lato di indagare i meccanismi fisiologici e patologici del funzionamento cerebrale in maniera non invasiva e dall’altro di sfruttare questo strumento per la medicina predittiva digitale effettuando test farmacologici, clinici e diagnostici completamente digitalizzati.
Al consorzio EBRAINS-Italy partecipano, infatti, gruppi di ricerca che si occupano di Neuroscienze cliniche, di base, teoriche, sperimentali e computazionali e con una sinergia operativa e di intenti verranno ampliati gli orizzonti di ricerca nel settore delle Neuroscienze coinvolgendo partner industriali ed istituti di ricerca internazionali.
“Aver ottenuto questo finanziamento – afferma il prof. Jonathan Mapelli – ci rende particolarmente soddisfatti e ci conferma che il lavoro che stiamo portando avanti negli ultimi anni è nella direzione giusta. Da qualche anno ci occupiamo di sviluppare modelli computazionali dell’attività cerebrale da un lato per la creazione di gemelli digitali del cervello e dall’altro per sviluppare nuovi paradigmi di calcolo e di intelligenza artificiale biomimetica e ad elevata efficienza energetica. Il finanziamento del PNRR ci consentirà di creare un modello realistico di ippocampo umano al fine di creare un gemello digitale di questa struttura cerebrale cruciale per i processi di apprendimento e memorizzazione e di orientamento spaziale. Il gemello digitale che verrà creato potrà essere utilizzato per esplorare il funzionamento dell’ippocampo in condizioni fisiologiche e patologiche e di effettuare test farmacologici, clinici e diagnostici completamente digitalizzati consentendoci di proiettarci nel mondo della medicina digitale”.
NILAB
Il NILAB nasce nel 2020 come laboratorio interdisciplinare in cui Neuroscienze ed Ingegneria si incontrano per sviluppare un pensiero critico su differenze ed analogie tra l’intelligenza umana e quella mostrata dalle macchine, con l’ambizione di creare sistemi intelligenti in grado di replicare funzionalità tipiche dell’intelligenza umana in regime di alta efficienza energetica. Quest’attività vede coinvolti in un team interdisciplinare, oltre al prof. Mapelli, la dott.ssa Daniela Gandolfi ed il prof. Giuseppe Pagnoni del NEUBIOMET, i professori Francesco Maria Puglisi e Paolo Pavan del Laboratorio di Ingegneria elettronica del DIEF.
