L’entusiasmo dei neuroscienziati è stato contagioso, e ha investito anche i politici. Le rivelazioni sul funzionamento del cervello, e le possibilità di tradurre queste scoperte in benefici tangibili avevano spinto l’allora presidente degli Stati Uniti George Bush a dichiarare gli anni Novanta “il decennio del cervello”. La Nasa ha risposto a questo proclama sollecitando il mondo intero a proporre temi di ricerca neurologica nello spazio. E in particolare, a progettare esperimenti volti acapire in che modo il sistema nervoso si sviluppi, si adatti e funzioni durante i voli spaziali nelle difficili condizioni di un ambiente altamente artificiale. L’Orbiter Columbia, meglio noto come Neurolab, lanciato nei cieli il 17 aprile 1998 dalla rampa 39-B, rappresenta il culmine di questo sforzo internazionale. A bordo, infatti, vi erano 26 esperimenti di diversi paesi, tra cui il Giappone, il Canada, gli Stati Uniti e molti paesi europei, selezionati con la procedura del peer review tra i 175 proposti. Le ricerche erano ispirate a due filoni fondamentali: il primo, sotto il controllo del Johnson Space Center, riguardava la sperimentazione sugli uomini e gli astronauti stessi fungevano da cavie, mentre il secondo, coordinato dall’Ames Research Center, era dedicato a esperimenti su animali. A loro volta questi ultimi erano suddivisi in quattro sottogruppi: il primo, sulla plasticità neuronale, ha usato ratti adulti, il secondo riguardava lo sviluppo dei mammiferi, studiato sia su embrioni di ratto che su ratti appena nati, il terzo prevedeva esperimenti su lumache, pesci e anfibi, mentre il quarto doveva studiare la neurobiologia dei grilli.
L’adattamento alla microgravità pone il problema della plasticità neuronale: un esperimento condotto da una ricercatrice dell’Ames, Muriel Ross, durante una precedente missione dello Shuttle aveva mostrato alcuni cambiamenti nel numero delle sinapsi nelle maculae dell’orecchio interno. Le connessioni dall’orecchio interno al centro vestibolare e il cervelletto sono legate alla capacità di mantenere l’equilibrio e l’orientamento in base a ciò che vediamo e alla nostra posizione rispetto alla terra. L’informazione posizionale è codificata anche in alcune particolari cellule dell’ippocampo. Bruce Mc Naughton dell’Università dell’Arizona ha usato un “labirinto di Escher” per creare un ambiente nel quale sia lo stimolo visuale che quello vestibolare non riuscissero a fornire informazioni precise circa la mappa cognitiva spaziale. Ora, grazie agli esperimenti del Neurolab, Mc Naughton determinerà se i neuroni possono formare una mappa o addirittura reagire alle insolite condizioni di assenza di gravità.
Un altro gruppo di ricercatori ha progettato degli esperimenti per misurare l’effetto della microgravità durante lo sviluppo. La nostra capacità di reagire alla gravità è coinvolta, in modo inconsapevole, in quasi tutti i comportamenti motorii acquisiti. Quando cerchiamo di prendere al volo una palla, o di frenare una caduta, o persino quando impariamo a camminare, sono necessari degli aggiustamenti motorii dovuti alla gravità. In altre parole, il fatto di sentire la gravità può essere considerato uno dei nostri sensi. Gli stimoli sensori sembrano essere necessari per lo sviluppo cerebrale. C’è un periodo critico durante l’infanzia in cui se un bambino venisse privato della vista da un occhio, e più tardi la vista venisse ripristinata, il bambino potrebbe rimanere comunque cieco da quell’occhio per tutta la vita. E allo stesso modo, lo sviluppo del sistema uditivo ha bisogno dell’esposizione allo stimolo – il bambino deve essere esposto ai suoni per sviluppare l’udito. Questo particolare tipo di cecità o sordità ha origine nella corteccia cerebrale, ed è fondamentalmente diverso da quello dovuto alle disfuzioni dell’organo di senso. Questi individui possono capire se la luce è accesa o spenta. Ma hanno difficoltà ad assegnare un significato a ciò che vedono. In pratica, l’occhio funziona, ma il cervello no. Le basi biochimiche di questo periodo critico sono ancora oscure. Tuttavia l’idea che il cervello abbia bisogno di stimoli sensori per svilupparsi è molto importante. Lo stesso ragionamento porta a concludere che l’esposizione durante l’infanzia a un ambiente ricco di stimoli possa migliorare lo sviluppo cerebrale. L’ipotesi centrale per gli esperimenti sullo sviluppo è quella secondo cui c’è un periodo critico nel quale bisogna sperimentare la gravità per acquisire abilità spaziali e motorie. Naturalmente gran parte della nostra capacità di distinguere il sopra dal sotto deriva dal sistema visivo, ma in un mondo dove il soffitto è accessibile quanto il pavimento e l’altitudine ha poca importanza, perché nulla cade (gli oggetti possono solo galleggiare), il modo in cui il cervello impara a percepire il mondo potrebbe differire radicalmente da quello in cui si sviluppa sulla Terra.
I dati disponibili sullo sviluppo in ambienti di micro-gravità sono pochissimi. E in parte contraddittori: per esempio i voli precedenti hanno mostrato che i piccoli di quaglia non riescono a sviluppare un comportamento di auto alimentazione, mentre i girini che nascono e si sviluppano nello spazio, imparano a nuotare normalmente. In collaborazione con Oswald Stewart dell’Università della Virginia stiamo studiando l’ippocampo dei piccoli di ratto. Gran parte dello sviluppo dell’ippocampo ha luogo dopo la nascita, e dunque l’esperimento era stato progettato per studiare i piccoli di ratto in orbita otto giorni dopo la nascita. Purtroppo c’è stata un’alta mortalità in questo gruppo di ratti, sebbene un volo precedente avesse mostrato che questi piccoli di ratto avrebbero dovuto resistere otto giorni in condizioni di volo. Probabilmente alcuni di questi sono morti perché le madri che li dovevano allattare avevano difficoltà ad acchiappare i piccoli che galleggiavano nella gabbia. Insomma, è chiaro che dobbiamo ancora imparare a creare un ambiente spaziale in cui i piccoli di ratto possano sopravvivere.
Nonostante l’alta mortalità, ci sono stati abbastanza sopravvissuti per farci almeno un’idea se la microgravità abbia consentito il normale sviluppo anatomico dell’ippocampo. Inoltre abbiamo potuto dimostrare l’appropriato inizio del potenziamento a lungo termine ed eseguire normalmente i test di memoria spaziale, nel labirinto acquatico e in quello a bracci radiali. Dalla nascita ai 30 giorni di vita si nota un aumento lineare nella densità delle sinapsi, nella complessità dendritica e nell’espressione delle proteine sinaptiche. Jacqueline Raymond del Cnrs francese effettuerà analisi simili sulle sinapsi del nucleo vestibolare. Tutti questi parametri sono stati determinati negli animali in orbita e confrontati con quelli degli animali del gruppo di controllo rimasti a terra in condizioni identiche per tutta la durata della missione. Allevando i ratti in un ambiente senza gravità, abbiamo avuto l’opportunità di azzerare i sistemi cerebrali che controllano l’orientamento. Poiché questo sistema cerebrale è colpito dalle patologie neurodegenerative, ed entra in gioco ogni volta che affrontiamo un ambiente nuovo, potrebbe essere possibile identificare delle specifiche molecole che non appaiono nei circuiti cerebrali che controllano l’orientamento negli animali in orbita.
La capacità di camminare bene dipende in modo sostanziale dal ruolo della gravità nelle tante funzioni motorie coordinate che devono essere integrate tra loro. Kerry Walton del New York Medical Center ha progettato un esperimento per confrontare i ratti neonati di otto giorni con quelli di 14 giorni, dopo l’esposizione alla microgravità. Il suo obiettivo è confrontare l’andatura e la capacità di riprendere a camminare, dopo essere stati sulla schiena, nei due gruppi dato che i ratti più grandi avevano già camminato sulla Terra prima del lancio. Alla fine della missione, anche questi ultimi hanno avuto qualche difficoltà nel riprendere a camminare. Ciò significa che nel suo sviluppo il sistema nervoso, deve tener conto della gravità per adattare l’attività motoria. Ma questo adattamento non è obbligato, e rappresenta un’altra area rispetto alla quale i neuroni mostrano una risposta plastica. Nei prossimi mesi Walton cercherà di scoprire se questi animali che si stanno sviluppando, privati degli stimoli gravitazionali, saranno in grado di riprendersi. Di certo, queste informazioni saranno cruciali per chiunque dovrà passare lunghi periodi nello spazio.
Danny Riley del Medical College del Wisconsin studierà gli effetti della microgravità sul sistema neuromuscolare, in particolare di due muscoli degli arti posteriori (il muscolo soleo e il muscolo estensore delle dita). Il soleo serve a sostenere il peso e a produrre forza nelle attività prolungate, come lo stare in piedi, mentre l’estensore delle dita produce forza nei movimenti rapidi. Riley sta analizzando lo sviluppo delle giunture neuromuscolari, che con ogni probabilità mostreranno comportamenti molto diversi in condizioni di microgravità.
Richard Nowakowski del Robert Wood Johnson Medical Center cercherà di capire se la gravità abbia un ruolo nella migrazione delle cellule neuronali. La formazione della corteccia cerebrale matura richiede una serie di eventi migratori altamente sincronizzati, nei quali i progenitori neuronali escono tangenzialmente dalla regione ventricolare e arrivano ad una specifica lamina. Sebbene il complesso di molecole coinvolte nel processo sia ancora sconosciuto, possiamo dire in parole semplici che la migrazione neuronale rappresenta un problema di ingegneria nel quale si sommano una serie di forze biologiche e fisiche per ottenere un’organizzazione matura.
La specie più numerosa a bordo del Neurolab era l’Acheta domesticus (grillo domestico). Eberhard Horn dell’Università di Ulm in Germania ha studiato l’organo di senso della gravità di questi animali, il cerco, osservando la loro tendenza a girare la testa quando sono capovolti. Anche i grilli del gruppo di controllo erano a bordo del Neurolab, ma erano posti all’interno di una camera rotante, per simulare la gravità. In questo modo, anche i grilli del gruppo di controllo hanno provato quelle condizioni di volo – le forze di ipergravità durante il lancio e l’esposizione alle radiazioni cosmiche – che non possono essere ricreate artificialmente sulla Terra. In condizioni normali, i grilli mantengono la testa in posizione verticale anche quando il corpo è inclinato. Horn cercherà di capire se i grilli di ritorno dallo spazio sono in grado di ritrovare le relazioni tra corpo e testa. Michael Wiederhold dell’Health Science Center dell’Università del Texas studierà gli organi di senso della gravità nelle lumache (Biomphlaria glabrata) e nei pesci (Xiphophorus helleri). Nelle lumache, la crescita delle particelle di carbonato di calcio chiamate statoliti, che stimolano le cellule capellute a inviare informazioni sulla posizione dell’animale, è controllata dalla gravità. In assenza di gravità, la crescita delle statoliti potrebbe risultare fuori controllo. La comprensione di questi meccanismi regolatori potrebbe poi essere applicata agli esseri umani affetti da vertigini posizionali benigne.
Il ritorno del Neurolab rappresenta davvero solo l’inizio. Gli esperimenti a bordo devono essere analizzati, e gli animali che hanno partecipato al viaggio continueranno ad essere sotto osservazione. Ma, cosa ancora più importante, la missione del Neurolab rappresenta un passo avanti per stabilire una presenza umana oltre i confini del nostro pianeta.
