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La bellezza della struttura

Un neuroscienziato spiega gli affascinanti progressi della microscopia.

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Grazie a sofisticati sistemi di microscopia confocale, Alexandros A. Lavdas riesce a ottenere immagini cellulari fondamentali per una migliore comprensione dei processi e dei meccanismi.

© Eurac Research | Ivo Corra'

Ivo Corra'
by Barbara Baumgartner

Il neuroscienziato Alexandros A. Lavdas è un esperto di imaging e, a detta di tutti, un uomo fortunato: le scoperte sulla vita interna delle cellule non solo soddisfano il suo desiderio di conoscenza come ricercatore, ma anche il suo gusto estetico.

Quando il neuroscienziato Alexandros Lavdas descrive le immagini della corteccia cerebrale – “qui c’è una struttura a sei strati e ogni strato è composto da cellule diverse, l’insieme è bellissimo e molto intricato e artistico” – ne è così affascinato come quando parla delle foto macro che scatta alle foglie o alla frutta: “Con l’obiettivo giusto, diventano visibili i dettagli più incredibili!”.

Lavdas è un esperto di imaging nella ricerca biomedica e un appassionato fotografo amatoriale, ed entrambe le cose sono legate alla sua marcata “inclinazione per le immagini”. Da studente, questo lo distingueva: “La maggior parte dei miei compagni di corso era totalmente presa dalla biologia molecolare”, racconta lo scienziato, cresciuto ad Atene, figlio di due musicisti classici. “A me non interessava minimamente. Certo, è terribilmente eccitante e assolutamente fondamentale, ma non fa per me”. Il suo interesse era la morfologia, tutto ciò che aveva a che fare con le forme. Questa predilezione, unita al suo entusiasmo per la fotografia, gli ha permesso di “comprendere concetti di imaging che la maggior parte dei biologi non vuole affrontare”. Pur essendo cresciuto in una famiglia di artisti e avendo “bisogno dell’arte quanto dell’ossigeno”, fin da giovane sapeva che avrebbe seguito la strada della scienza. Per un po’ ha pensato alla fisica; quando alla fine ha optato per la biologia, lo ha fatto con il chiaro obiettivo di diventare un neuroscienziato.

All’University College di Londra ha svolto ricerche sullo sviluppo della corteccia cerebrale e successivamente, all’Istituto Pasteur di Atene, sulle lesioni e sulla guarigione del sistema nervoso centrale – “ma ufficiosamente, a quel punto ero già l’uomo delle immagini; tutti mi chiedevano consigli o aiuto perché ero quello con la maggiore esperienza in materia”.

Se si vogliono pubblicare dei risultati, bisogna quantificarli. Il software di immagine può, oltre alla quantificazione, rendere i risultati chiaramente visibili.

Alexandros Lavdas

Ufficialmente responsabile dell’imaging lo è diventato all’Istituto di biomedicina di Eurac Research, dove nel 2014 ha portato questo strumento. Grazie alle sue conoscenze e a sofisticati sistemi di microscopia confocale, riesce a ottenere immagini cellulari fondamentali per una migliore comprensione dei processi e dei meccanismi, legati sia all’insorgenza e allo sviluppo delle malattie che all’effetto dei farmaci. Oltre ad accrescere la sua conoscenza, Lavdas ne trae anche piacere estetico: "Oh sì, mi piacciono molto le immagini”.

Poi nell’analisi, ovviamente, entrano in gioco i numeri. “Se si vogliono pubblicare dei risultati, bisogna quantificarli. Ma il software di immagine può, oltre alla quantificazione, rendere i risultati chiaramente visibili. Nella codifica dei colori, ad esempio, posso specificare: quando questo valore raggiunge un certo livello, dovrebbe diventare verde. All’improvviso appare qualcosa di verde da qualche parte nell’immagine e so che è lì che si trovano i valori che stiamo cercando. In questo modo è più tangibile”.

Lavdas esamina spesso i mitocondri, i piccoli organuli che forniscono energia alla cellula, perché le loro condizioni dicono molto sulla salute delle cellule. Se sono frammentati è un brutto segno. “Posso impostare il software: più corti sono i frammenti, più fredda è la tonalità. Poi mi trovo davanti due cellule: una più blu, l’altra più rossa. Quella rossa è più sana“.

Modello in 3D dei mitocondri in due cellule, con codifica dei colori per i segmenti mitocondriali. I colori caldi corrispondono a segmenti più lunghi, quelli freddi a segmenti più corti.© Eurac Research | Alexandros Lavdas

Lavdas cita anche i mitocondri come esempio di quanto il miglioramento della tecnologia stia cambiando la nostra visione della realtà. Dalle raffigurazioni sul suo libro di testo universitario, si aveva l’impressione che questi organuli fossero sparsi qua e là nella cellula, “perché è così che appaiono al microscopio elettronico”. Per la microscopia elettronica, tuttavia, i campioni vengono sottoposti a una procedura (“calvario”, dice Lavdas) che li allontana dal loro stato naturale: vengono fissati, disidratati, inseriti in materiale sintetico – “vanno in forno a 70 gradi, sono esposti all’osmio... queste cellule attraversano l'inferno!”. Ride. Oggi Lavdas può fare riprese video dei mitocondri nelle cellule viventi, “e così lo si vede: sono ovunque! Dal bordo del nucleo al bordo della cellula, una rete di tubi ramificati che si formano, si rompono e si riformano: c’è una dinamica”. La bellezza dei mitocondri lo entusiasma, così come quella della corteccia.

Se qualche decennio fa queste possibilità fossero state descritte ai biologi, alla maggior parte di loro sarebbero sembrate fantascienza.

Alexandros Lavdas

Lavdas ha vissuto una sorta di rivoluzione nel campo dell’imaging da quando, all’età di 21 anni da studente dell’Università di Atene, un professore di biologia cellulare lo lasciò lavorare da solo al microscopio elettronico (cosa che rese piuttosto nervosi alcuni membri della facoltà). “La rivoluzione consiste nell’osservare la cellula in uno stato il più naturale possibile, con una risoluzione che non è elevata come quella della microscopia elettronica, ma sufficientemente alta”. I progressi in molti campi hanno contribuito a questo sviluppo, non ultimo l’immenso aumento della capacità dei computer. Anni fa, un intero disco di computer non sarebbe stato sufficiente per contenere i dati di un esperimento come quelli che vengono svolti quotidianamente all’Istituto. Nel campo dell’ottica, tra l’altro, si è sviluppata in modo decisivo la microscopia confocale, una “tomografia per le cellule”, come spiega Lavdas: “Il campione viene tagliato otticamente in strati, di solito con il laser, che il computer poi ricompone in 3D; dopo aver marcato le diverse proteine con anticorpi di colori diversi, si può girare la cellula e guardarla da tutti i lati... . In questo modo si ottiene una grande quantità di informazioni sulla morfologia e sul contenuto della cellula”. Se qualche decennio fa queste possibilità fossero state descritte ai biologi, alla maggior parte di loro “sarebbero sembrate fantascienza”, afferma Lavdas. “E tutte queste cose stanno migliorando; la sensibilità dei rivelatori sta aumentando, quindi sono necessari laser meno intensi, e questo a sua volta significa meno danni alla cellula”. Egli stesso ha lavorato a un progetto congiunto tra Eurac Research, Politecnico di Milano, Università di Cambridge e azienda bolzanina Micro Photon Devices per sviluppare un nuovo sistema che utilizza il “FLIM imaging”, una tecnica in grado di estrarre informazioni biochimiche dalle cellule.

Mappa di calore che mostra con quale probabilità il primo sguardo (3-5 secondi dopo la presentazione dell’immagine) cada in un determinato punto in una scena urbana. Il calcolo è svolto da un software di intelligenza artificiale addestrato con dati reali di eye-tracking. I colori più caldi rappresentano una maggiore probabilità di attrarre il primo sguardo, quelli più freddi una minore, mentre le aree prive di colore non hanno alcuna probabilità di attrarre lo sguardo. Queste mappe di calore ci aiutano a capire quali caratteristiche morfologiche attirano il nostro sguardo negli edifici o in altre scene urbane o naturali. © Eurac Research / Alexandros Lavdas | © Eurac Research / Alexandros Lavdas

Ma oltre alla diagnostica per immagini, Alexandros Lavdas si occupa anche di un altro tema importante: la neuroestetica. In particolare, studia come il nostro cervello percepisce le forme, quali forme troviamo belle e per quale motivo. In uno studio condotto due anni fa con l’ecologa del paesaggio Uta Schirpke, ha dimostrato che siamo particolarmente attratti da forme con un certo tipo di complessità organizzata, forme che hanno dimostrato di avere un effetto positivo sul nostro benessere. Questo vale sia per i paesaggi (oggetto del suo lavoro più recente con Uta Schirpke ed Erich Tasser) sia per l’architettura, un campo a cui Lavdas è particolarmente interessato: tra i suoi soggetti fotografici preferiti ci sono gli edifici. I suoi ultimi lavori riguardano lo sviluppo di strumenti quantitativi per misurare l’attrattiva e l’effetto degli edifici sulle persone. L’anno scorso è entrato a far parte del consiglio di amministrazione dell’American Human Architecture and Planning Institute, che si propone di migliorare la comprensione di come le persone vivano l’ambiente costruito. Per Alexandros Lavdas, che si occupa di forme, tutto rientra nel quadro.

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