Reti neurali per la biologia

Delle reti neurali conservo un bel ricordo. E’ stato uno degli argomenti della mia tesi di laurea. Per farla breve si trattava del progetto, a grandi linee, di un sistema di intelligenza artificiale, basato appunto sulle reti neurali, per fare diagnosi su grossi motori elettrici, intervenendo prima che i guasti fossero divenuti più seri e costosi. Le reti neurali, per chi non lo sapesse, sono un modello matematico (un insieme di formule, detto in modo semplicistico), ispirato al funzionamento dei neuroni cerebrali, con il quale si riesce a predire il comportamento di un sistema (fatto di più input e di uno o più output), grazie ad una procedura di addestramento (training) del modello. Proprio come il nostro encefalo impara dall’esperienza.

Furono ideate intorno agli anni ‘50 ma il loro uso è cresciuto sempre più grazie alla potenza di calcolo attuale. Tra le numerose applicazioni, quelle connesse alla biologia, alla medicina e quindi alla salute potrebbero portare notevoli rivoluzioni. Tant’è vero che Google ha fiutato queste possibilità e sta sperimentando un sistema del genere per prevedere età, pressione sanguigna e conseguenze del fumo in un individuo, solo analizzando una scansione della sua retina. I computer di Google ottengono informazioni dalla disposizione dei vasi sanguigni: da ciò si riesce anche a prevedere se si è a rischio di un attacco cardiaco imminente.  La ricerca utilizza le reti neurali cosiddette convoluzionali, un tipo di algoritmo denominato deep-learning che sta trasformando il modo in cui i biologi analizzano le immagini: esso prende spunto da come sono disposti i neuroni nella nostra corteccia visiva.

Ma Big G, con il suo Google Research dedicato, non si è fermato a questo. Quando voleva utilizzare il deep-learning per trovare mutazioni nei genomi, i suoi scienziati dovevano convertire frammenti di DNA in immagini digitali fruibili da un calcolatore. Quindi hanno addestrato la loro rete su questi frammenti, con riferimento ad un genoma con mutazioni note. Il risultato finale è stato DeepVariant, uno strumento software di recente uscita che può scovare piccole variazioni nelle sequenze di DNA. C'è da dire però che si è ancora lontani da una piena integrazione e multidisciplinarità al riguardo. Gli scienziati hanno faticato ad applicare l'informatica alla biologia a causa delle differenze culturali tra i campi. Più sale il livello di complessità nei due settori, più la comunicazione tra i corrispondenti scienziati risulta difficoltosa.

Anche i biologi cellulari presso l'Allen Institute for Cell Science di Seattle utilizzano reti neurali convoluzionali per convertire immagini bidimensionali di cellule, catturate con microscopi ottici, in immagini 3D, in cui alcuni degli organuli (parte del citoplasma) di una cellula sono etichettati a colori. Questo approccio elimina la necessità di colorare artificialmente le cellule, un processo che richiede più tempo e un laboratorio sofisticato, con il rischio di danneggiarle. A fine 2017 il gruppo ha pubblicato i dettagli di una tecnica avanzata in grado di prevedere la forma e la posizione di un numero elevato di parti cellulari, utilizzando solo pochi dati, come il contorno della cella stessa. Qualcosa di simile hanno fatto, già dal 2015, alla divisione di imaging del Broad Institute of MIT and Harvard a Cambridge. Un team ha iniziato a dare in pasto le immagini cellulari alle reti neurali convoluzionali; ad oggi esse elaborano circa il 15% delle immagini nella divisione. Si prevede che questo tipo di elaborazione diventerà il principale, sia in questo istituto che in altri nel mondo, nel giro di pochi anni.

Alcuni ricercatori ritengono che l'analisi di immagini con reti neurali, specie del tipo convoluzionale, possa rivelare sconosciuti fenomeni biologici. Tali scoperte, pur se occasionali, potrebbero aiutare a far progredire la ricerca su particolari patologie. Se il deep-learning potrà rivelare marcatori tumorali in una singola cellula, cambierebbe e migliorerebbe il modo in cui i ricercatori classificano la progressione del tumore. Ciò potrebbe a sua volta innescare nuove ipotesi su come il cancro si diffonde, e magari riuscire a prevederlo più in anticipo. Secondo Philip Nelson, direttore dell'ingegneria presso Google Research a Mountain View, la vera posta in palio sta nella possibilità che "le macchine riescano a vedere cose che gli umani non avevano mai individuato prima.". Forse è il caso di spingere su questa branca dell'intelligenza artificiale, piuttosto che su inutili robot da baraccone.

(fonte https://www.nature.com/articles/d41586-018-00004-w)

Abbiamo più memoria di quanto crediamo

Se cercate in un qualsiasi motore di ricerca sul web (lo so, usate solo Google come me, facevo per dire) le parole chiavi "DNA memoria" verranno fuori all'incirca 610.000 risultati. Scorrendo i risultati si trovano notizie interessanti, da quanta memoria può contenere il nostro acido desossiribonucleico, passando per studi di neurologia, fino all'accoppiamento strambo (ancora per poco) tra DNA e hard-disk.  In ogni caso è un binomio fino a qualche anno fa impensabile, di cui ultimamente si inizia a discutere in modo più serio.

I primi esperimenti di successo in questo campo sono stati fatti nel 2012, quando alla Stanford University sono riusciti a convertire filamenti di DNA in un sistema di memorizzazione riscrivibile. Il risultato finale è stato una struttura con diverse sezioni che possono essere tagliate e incollate chimicamente, con un procedimento di scrittura ripetibile più volte. In quella occasione gli scienziati pensarono ad un DNA riscrivibile all'interno di sistemi biologici sintetici e non come hard disk genetico. Probabilmente si sbagliavano, visto i recenti esperimenti realizzati da alcuni ricercatori di Harvard.

In questa università di Cambridge, infatti, i ricercatori hanno utilizzato il sistema CRISPR di editing dei geni per inserire un'immagine animata di tipo GIF nel DNA di alcuni batteri viventi, della famiglia Escherichia coli. Per farlo, hanno convertito i singoli pixel di ogni immagine costituente la GIF in nucleotidi, i blocchi di costruzione del DNA. è stata scelta l'immagine di un cavallo galoppante col suo cavaliere, del fotografo inglese Muybridge, che realizzò le prime fotografie animate negli anni '70. La trasformazione in immagine è stata effettuata sequenziando il DNA batterico, ossia imponendo la sequenze delle basi azotate che lo compongono. Successivamente hanno ricostruito la GIF con un'accuratezza del 90%, leggendo il codice nucleotidico dai pixel, ossia facendo il procedimento inverso.

Il metodo è specifico per i batteri ma, a detta degli scienziati, rappresenta un modo scalabile per ospitare informazioni in cellule viventi, comprese quelle umane. Pensate un po', allargando l'orizzonte temporale di questi esperimenti, un giorno potremo conservare nei geni ogni informazione su noi stessi. Vi sembra fantascienza? Il genetista di Harvard George Church afferma invece che in futuro potrebbe essere possibile. Con tutta la mole di dati digitali generati quotidianamente, gli scienziati vedono il DNA come un modo compatto e duraturo per memorizzarli. D'altro canto, le informazioni che il genoma si porta dietro provengono da centinaia di migliaia di anni fa e può ancora essere estratto e sequenziato in laboratorio.

La GIF usata ad Harvard, composta da soli 36 per 26 pixel, rappresenta una quantità molto piccola di informazioni, sia in confronto alle comuni foto (mediamente da 4000x3000 pixel in su) che se paragonata con quanto codificato nel DNA sintetico, grazie ai citati studi del 2012. Pare però che sia molto più impegnativo inserire informazioni sui generis in cellule viventi rispetto al DNA sintetizzato, perché le cellule vive sono sempre in mutamento. Naturalmente memorizzare un'immagine era il modo più semplice per testare il metodo, ma non è escluso che più avanti sarà possibile con altri tipi di file.

Quali le prospettive future? Raccogliere dati in cellule viventi come i batteri consente di proteggerli molto bene. Ad esempio, alcuni batteri continuano a prosperare dopo esplosioni nucleari, ma anche in seguito ad esposizione alle radiazioni o a temperature estremamente elevate. Inoltre la tecnica, al di là dei Giga o Terabyte che permetterà di memorizzare, potrebbe rivelarsi un utile strumento di ricerca, registrando eventi molecolari che guidano l'evoluzione di alcuni tipi di cellule, come la formazione di neuroni durante lo sviluppo del cervello. Una sinergia vincente, dunque, ottenuta grazie all'interazione tra biologia e informatica, tra il mondo analogico degli esseri viventi e quello digitale artificiale. Aumenterà la nostra capacità di memoria? Ne possederemo la parte dinamica nell'encefalo e quella statica nel DNA? Sarà forse il modo per tramandare ai nostri posteri chi siamo e da dove veniamo, specie se qualche evento catastrofico, naturale o per mano dell’uomo, dovesse spazzarci via quasi completamente.

(fonte https://www.technologyreview.com/s/608268/scientists-used-crispr-to-put-a-gif-inside-living-dna/; a questo stesso link trovate l’animazione del cavaliere a cavallo usata negli esperimenti; si ringrazia il sito https://phys.org per la gentile concessione della foto)

Il destino chimico dell'amore

L'amore è un sentimento pazzo. Nei miei primi anni di adolescenza i meno eleganti terminavano questa frase in un modo che vi risparmio. Dicevo, quel sentimento che ci investe a tutte le età, o che almeno dovrebbe farlo, per le persone, le passioni, gli animali, sé stessi, ha sfaccettature spesso impreviste. E forse proprio questo lo consacra a bellezza unica e pura, così pura che poi, quando manca, ci fa star male. Ok, ho detto delle banalità. Oggi, nello specifico, discorriamo del rapporto amore-chimica. La chimica degli uomini, intendo.

Avete mai sentito parlare dell'ossitocina? è un ormone di tipo proteico prodotto dall'ipofisi che, fino a pochi anni fa, era ritenuto un neurotrasmettitore capace solo di assistere (chimicamente) il momento del travaglio e dell'allattamento. Poi, qualcuno dimostrò che esso è coinvolto in tutte le fasi dell'attività sessuale, dai preliminari fino all'orgasmo, cosicché un ricercatore molto poetico lo definì “ormone dell'amore”. Però, come tutti sanno, questo sentimento "croce e delizia" (o viceversa) non ci fa volare in continuazione. A volte i motori si inceppano, le ali sbattono meno, e così, alla stregua di una depressione ad alta quota, i vuoti d'aria non mancano. Bè, se qualcuno prova a risalire è sempre grazie all'ossitocina. è l'ipotesi piuttosto plausibile evidenziata di recente in uno studio dell'Università Norvegese di Scienza e Tecnologia, condotto in collaborazione con l'Università del New Mexico.

Lo studio ha voluto fare luce rispetto a due correnti di pensiero. Ci sono infatti degli scienziati che sostengono la funzione di questo ormone come basilare per migliorare un rapporto e renderlo più forte con la persona che si ama; altri invece credono che i livelli di ossitocina aumentino di più quando ci troviamo in situazioni difficili da risolvere e la cresciuta produzione ci aiuta a cercare nuovi partner. Allora i ricercatori hanno effettuato dei test su circa 150 coppie, metà americane e metà norvegesi, ai quali è stato chiesto di pensare al loro compagno e a come lo vorrebbero più partecipe nel rapporto. Risultato: i livelli di ossitocina erano alti in corrispondenza di un forte investimento personale nel legame. Confermata quindi la teoria come ormone dell'amore.

Il passo successivo è stato di esaminare contemporaneamente il coinvolgimento di entrambi i partner. E qui la sorpresa. Il livello dell'ormone è cresciuto di più, rispetto alla media, se un partner fortemente coinvolto mostrava di credere che il suo omologo lo fosse meno. In altre parole, la produzione cresceva se la differenza di "energia sentimentale" (passatemi la locuzione) era significativa all'interno delle coppie. In tal caso l'ossitocina potrebbe agire come ormone della crisi.  Un esito che può apparire contraddittorio, cioè che i valori di ossitocina salgano sia quando le cose vanno bene che in caso contrario; ma in fondo non lo è, a detta dei ricercatori. La loro spiegazione è questa: l'ossitocina potrebbe promuovere l'attenzione e la motivazione verso il rapporto in cui queste stanno calando, al fine di tirare a sé chi dei due si sente temporaneamente meno attratto dall'altro, ed arrivare ad un positivo beneficio di coppia. Un ormone che, in definitiva, "vigila" sul rapporto e tende a rimetterlo in carreggiata, se ci sono degli sbandamenti.

Tranquilli, non penserete che davanti a situazioni gravi, le proteine secrete dal vostro organismo vi facciano fare cose che non volete. Ci sono casi in cui il coinvolgimento è così scarso che l'ossitocina non cresce più. La vostra volontà, o gli eventi che non siete riusciti a governare (e qui nascerebbero fiumi, che dico fiumi, cascate di parole), vi permettono di staccare la spina definitivamente. Secondo gli scienziati, è come se la natura ci avverte che non ha più senso spendere energie e risorse su una storia finita. In pratica, chimica sì, ma fino ad un certo punto. "Quello che è biologicamente funzionale non sempre coincide con ciò che è socialmente desiderabile" ha affermato il professor Grebe, uno degli autori del lavoro. Come dargli torto ?

Questa volta non vi lascio con la solita postilla finale. L'argomento, dal punto di vista umano e scientifico, insomma dal lato che vi piace di più, offre spunti a palate. Alla prossima.

(fonte https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-05/nuos-lhi051817.php; si ringrazia il sito http://www.originalstore.it per la gentile concessione della foto)

Alcuni batteri si ibernano nei cristalli di sale

Una sorprendente scoperta è stata fatta dal biologo spagnolo Josè  Maria Gomez, ancor di più perché osservata con un microscopio nella sua abitazione.  Ha introdotto delle cellule di Escherichia Coli (un batterio presente in grosse quantità  nel nostro intestino) in acqua salata e ha notato come essi cristallizzavano il sale, modulandone sviluppo e crescita dei cristalli. Quando l’acqua si è asciugata si sono create delle formazioni tridimensionali morfologicamente complesse, dette biosaline, all’interno delle quali i batteri si sono come ibernati: ma, straordinariamente, essi hanno ripreso a vivere bagnando nuovamente i cristalli.

La scoperta “casalinga” è stata poi confermata presso il Laboratory of BioMineralogy and Astrobiological Research (LBMARS) in Spagna, all’Università di Valladolid, dove Gomez lavora. Fino ad oggi, si sapeva di modelli affini creati da soluzioni saline e proteine ​​isolate, ma questa per gli scienziati è una grossa novità: le cellule batteriche possono gestire la cristallizzazione del cloruro di sodio e generare strutture biosaline auto-organizzate. "Il risultato più interessante è che i batteri entrano in uno stato di ibernazione all'interno di questi modelli essiccati, ma possono successivamente rivivere dopo una reidratazione" ha detto Gomez.

La ricchezza e la complessità di queste formazioni hanno un significato particolare: possono essere utilizzate come firme biologiche nella ricerca della vita in ambienti estremamente asciutti al di fuori del nostro pianeta, come ad esempio sulla superficie di Marte o di Europa (un satellite di Giove). Non a caso, il laboratorio LBMARS sta partecipando al progetto col quale l’ESA porterà il rover ExoMars sul pianeta rosso nel 2018: con questa nuova scoperta si potrebbero calibrare gli strumenti, usando i modelli cristallizzati per rilevare simili segni di ibernazione o comunque tracce di vita extraterrestre.

Al di là degli sviluppi astrobiologici la casualità e la passione fanno da cornice a questa scoperta e al modo in cui è avvenuta. Il dottor Gomez avrebbe potuto, come la maggior parte di noi, staccare la spina dalla quotidianità lavorativa una volta tornato a casa; invece, aveva magari un’idea, una verifica, un banale controllo da fare e non ha atteso l’indomani e l’ufficio. Sulla routine e sulla stanchezza di quella giornata hanno avuto la meglio, premiandolo, il carpe diem, l’entusiasmo e la dedizione per la sua attività scientifica.