Realizzata la prima mappa di tutti i neuroni di un cervello adulto

AGI - Sviluppato il primo diagramma di cablaggio complessivo di tutti i neuroni di un cervello adulto e dei 50 milioni di connessioni tra di essi di un esemplare adulto di moscerino della frutta. Questo risultato storico è stato realizzato da un’ampia collaborazione internazionale di scienziati, chiamata FlyWire Consortium, che comprende ricercatori del MRC Laboratory of Molecular Biology, a Cambridge, nel Regno Unito, dell’Università di Princeton, dell’Università del Vermont e dell’Università di Cambridge. I risultati sono stati pubblicati oggi su Nature.

Il diagramma di tutti i 139.255 neuroni del cervello di un moscerino adulto è il primo di un intero cervello di un animale in grado di camminare e vedere. Gli sforzi precedenti hanno completato i diagrammi del cervello intero per cervelli molto più piccoli, ad esempio quello di una larva di moscerino della frutta, che ha 3.016 neuroni, e di un verme nematode, che ha 302 neuroni.

I ricercatori ritengono che la mappa del cervello del moscerino intero è un primo passo fondamentale per completare cervelli più grandi. Poiché il moscerino della frutta viene comunemente usato in ricerca, la sua mappa cerebrale può essere utilizzata per far progredire l’attuale comprensione del funzionamento dei circuiti neurali. “Se vogliamo capire come funziona il cervello, abbiamo bisogno di una comprensione meccanicistica di come tutti i neuroni si incastrino tra loro e ci permettano di pensare”, ha detto Gregory Jefferis, del MRC Laboratory of Molecular Biology e dell’Università di Cambridge e fra i leader della ricerca. “Per la maggior parte dei cervelli non abbiamo idea di come funzionino queste reti”, ha continuato Jefferis.

“Le mosche possono fare cose complicate, come camminare, volare, navigare, e i maschi cantano alle femmine”, ha affermato Jefferis. “I diagrammi di cablaggio cerebrale sono un primo passo verso la comprensione di tutto ciò che ci interessa: come controlliamo i nostri movimenti, rispondiamo al telefono o riconosciamo un amico”, ha proseguito Jefferis.

“Abbiamo reso l’intero database aperto e liberamente disponibile a tutti i ricercatori”, ha aggiunto Mala Murthy, dell’Università di Princeton, che è stata una delle co-leader della ricerca. “Ci auguriamo che questo sia trasformativo per i neuroscienziati che cercano di capire meglio come funziona un cervello sano”, ha dichiarato Murthy. “In futuro speriamo che sia possibile confrontare ciò che accade quando le cose vanno male nel nostro cervello, ad esempio nelle condizioni di salute mentale”, ha notato Murthy.

Gli scienziati hanno riscontrato sostanziali somiglianze tra il cablaggio di questa mappa e i precedenti sforzi su scala ridotta che hanno mappato parti del cervello dei moscerini. Ciò ha portato i ricercatori a concludere che esistono molte somiglianze nel cablaggio tra i singoli cervelli e che ogni cervello non è una struttura unica. Confrontando il loro diagramma cerebrale con i precedenti diagrammi di piccole aree del cervello, i ricercatori hanno anche scoperto che circa lo 0,5% dei neuroni presenta variazioni nello sviluppo che potrebbero causare un errato cablaggio delle connessioni tra i neuroni. Secondo i ricercatori, questa sarà un’area importante per la ricerca futura, per capire se questi cambiamenti sono legati all’individualità o a disturbi cerebrali.

Un intero cervello di moscerino è largo meno di 1 millimetro. I ricercatori sono partiti da un cervello femminile tagliato in settemila fette, ciascuna dello spessore di soli 40 nanometri, che erano state precedentemente scansionate con la microscopia elettronica ad alta risoluzione nel laboratorio del co-leader del progetto, Davi Bock, allora al Janelia Research Campus negli Stati Uniti.

Analizzare oltre 100 terabyte di dati di immagine, equivalenti alla memoria di 100 computer portatili, per estrarre le forme di circa 140.000 neuroni e 50 milioni di connessioni tra loro è una sfida troppo grande per essere completata manualmente dagli esseri umani. I ricercatori si sono basati sull’intelligenza artificiale sviluppata all’Università di Princeton per identificare e mappare i neuroni e le loro connessioni reciproche. Tuttavia, l’intelligenza artificiale commette ancora molti errori in serie di dati di queste dimensioni.

Il Consorzio FlyWire, composto da gruppi di scienziati di oltre 76 laboratori e 287 ricercatori di tutto il mondo, oltre che da volontari del pubblico in generale, ha impiegato circa 33 anni di lavoro per correggere faticosamente tutti i dati. “La mappatura dell’intero cervello è stata resa possibile dai progressi dell’intelligenza artificiale: non sarebbe stato possibile ricostruire manualmente l’intero schema elettrico”, ha osservato Sebastian Seung, dell’Università di Princeton, uno dei co-leader della ricerca. “Questa è una dimostrazione di come l’intelligenza artificiale possa far progredire le neuroscienze”, ha sottolineato Seung.

“Il cervello della mosca è una pietra miliare sulla nostra strada verso la ricostruzione del diagramma di cablaggio di un intero cervello di topo”, ha precisato Seung. I ricercatori hanno anche annotato molti dettagli sul diagramma di cablaggio, come la classificazione di oltre 8.000 tipi di cellule nel cervello. Questo permette di selezionare particolari sistemi all’interno del cervello per ulteriori studi, come i neuroni coinvolti nella vista o nel movimento.

“Questo set di dati è un po’ come Google Maps, ma per i cervelli: il diagramma di cablaggio grezzo tra i neuroni è come sapere quali strutture sulle immagini satellitari della terra corrispondono a strade ed edifici”, ha evidenziato Philipp Schlegel, primo autore di uno degli studi, del MRC Laboratory of Molecular Biology. “Annotare i neuroni è come aggiungere alla mappa i nomi delle strade e delle città, gli orari di apertura delle attività commerciali, i numeri di telefono, le recensioni, eccetera: servono entrambe le cose perché sia davvero utile”, ha specificato Schlegel.

Questa è anche la prima mappa del cablaggio dell’intero cervello, spesso chiamata connettoma, a prevedere la funzione di tutte le connessioni tra i neuroni. I neuroni utilizzano segnali elettrici per inviare messaggi. Ogni neurone può avere centinaia di rami che lo collegano ad altri neuroni. I punti in cui questi rami si incontrano e trasmettono i segnali tra i neuroni sono chiamati sinapsi.I neuroni comunicano attraverso le sinapsi in due modi principali: eccitatorio, che favorisce la continuazione del segnale elettrico nel neurone ricevente, o inibitorio, che riduce la probabilità che il neurone successivo trasmetta segnali. I ricercatori hanno anche utilizzato la tecnologia di scansione delle immagini dell’intelligenza artificiale per prevedere se ogni sinapsi fosse inibitoria o eccitatoria.

“Per iniziare a simulare il cervello in modo digitale, dobbiamo conoscere non solo la struttura del cervello, ma anche come funzionano i neuroni per accendersi e spegnersi a vicenda”, ha evidenziato Jefferis. “Utilizzando i nostri dati, che sono stati condivisi online durante il nostro lavoro, altri scienziati hanno già iniziato a cercare di simulare come il cervello della mosca risponde al mondo esterno”, ha detto Jefferis.

“È un inizio importante, ma dovremo raccogliere molti dati diversi per produrre simulazioni affidabili del funzionamento del cervello”, ha suggerito Jefferis. “L’iperdettaglio dei dati della microscopia elettronica crea le sue sfide, soprattutto in scala: il gruppo di ricerca ha descritto sofisticati algoritmi software per identificare i modelli di struttura e connettività delle cellule all’interno di tutti questi dettagli”, ha specificato Davi Bock, uno dei co-leader della ricerca, dell’Università del Vermont. “Ora – ha aggiunto Bock – siamo in grado di creare mappe sinaptiche precise e di utilizzarle per comprendere meglio i tipi di cellule e la struttura dei circuiti su scala cerebrale”.

“Questo – ha spiegato Bock – porterà inevitabilmente a una comprensione più approfondita del modo in cui i sistemi nervosi elaborano, immagazzinano e richiamano le informazioni”. “Ritengo che questo approccio indichi la strada da seguire per l’analisi dei futuri connettomi dell’intero cervello, sia nella mosca che in altre specie”, ha concluso Bock.