Il set completo di neuroni nel cervello di un insetto, che sono stati ricostruiti utilizzando la microscopia elettronica con risoluzione delle sinapsi. Credito: Johns Hopkins University/Università di Cambridge
Nella ricerca per capire come pensiamo, “tutto ha funzionato fino a questo”.
I ricercatori hanno completato la mappa del cervello più avanzata fino ad oggi, quella di un insetto, un risultato fondamentale nelle neuroscienze che avvicina gli scienziati alla vera comprensione del meccanismo del pensiero.
“Sono passati 50 anni e questo è il primo connettoma cerebrale. È una bandiera nella sabbia che possiamo farcela”. — Joshua T. Vogelstein, professore associato, Whiting School of Engineering
Il team internazionale guidato dalla Johns Hopkins University e dall’Università di Cambridge ha prodotto un diagramma incredibilmente dettagliato che traccia ogni connessione neurale nel cervello di un moscerino della frutta larvale, un modello scientifico archetipico con cervelli paragonabili a quelli umani.
Il lavoro, che probabilmente sosterrà la futura ricerca sul cervello e ispirerà nuove
Un diagramma che descrive la connettività, in cui i neuroni sono rappresentati come punti e i neuroni con connettività più simile sono rappresentati più vicini. Le linee rappresentano le connessioni tra i neuroni. Il bordo della figura mostra esempi di morfologie neuronali. Credito: Johns Hopkins University/Università di Cambridge
Il primo tentativo di mappare un cervello, uno studio di 14 anni sul nematode iniziato negli anni ’70, ha portato a una mappa parziale e al premio Nobel. Da allora, i connettomi parziali sono stati mappati in molti sistemi, tra cui mosche, topi e persino umani, ma queste ricostruzioni in genere rappresentano solo una piccola frazione del cervello totale. Connettomi completi sono stati generati solo per diversi piccoli
Mappare interi cervelli è difficile ed estremamente dispendioso in termini di tempo, anche con la migliore tecnologia moderna. Ottenere un’immagine completa di un cervello a livello cellulare richiede di suddividere il cervello in centinaia o migliaia di singoli campioni di tessuto, ognuno dei quali deve essere ripreso con microscopi elettronici prima del meticoloso processo di ricostruzione di tutti quei pezzi, neurone per neurone, in un intero , ritratto accurato di un cervello. Ci sono voluti più di un decennio per farlo con il moscerino della frutta. Si stima che il cervello di un topo sia un milione di volte più grande di quello di un moscerino della frutta, il che significa che la possibilità di mappare qualcosa di simile a un cervello umano non è probabile nel prossimo futuro, forse nemmeno nella nostra vita.
Il set completo di neuroni nel cervello di un insetto. Credito: Johns Hopkins University/Università di Cambridge
Il team ha scelto di proposito la larva del moscerino della frutta perché, per un insetto, la specie condivide gran parte della sua biologia fondamentale con gli esseri umani, inclusa una base genetica comparabile. Ha anche un ricco apprendimento e comportamenti decisionali, che lo rendono un utile organismo modello nelle neuroscienze. E per scopi pratici, il suo cervello relativamente compatto può essere ripreso e i suoi circuiti ricostruiti entro un lasso di tempo ragionevole.
Anche così, il lavoro ha richiesto all’Università di Cambridge e alla Johns Hopkins 12 anni. L’imaging da solo ha richiesto circa un giorno per neurone.
I ricercatori di Cambridge hanno creato le immagini ad alta risoluzione del cervello e le hanno studiate manualmente per trovare i singoli neuroni, tracciando rigorosamente ciascuno di essi e collegando le loro connessioni sinaptiche.
Cambridge ha consegnato i dati alla Johns Hopkins, dove il team ha trascorso più di tre anni utilizzando il codice originale creato per analizzare la connettività del cervello. Il team della Johns Hopkins ha sviluppato tecniche per trovare gruppi di neuroni basati su modelli di connettività condivisi, quindi ha analizzato come le informazioni potrebbero propagarsi attraverso il cervello.
Alla fine, l’intero team ha tracciato ogni neurone e ogni connessione e ha classificato ogni neurone in base al ruolo che svolge nel cervello. Hanno scoperto che i circuiti più attivi del cervello erano quelli che conducevano da e verso i neuroni del centro di apprendimento.
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Il connettoma descrive come i neuroni comunicano all’interno di ciascun emisfero cerebrale e attraverso gli emisferi cerebrali. Credito: Johns Hopkins University/Università di Cambridge
I metodi sviluppati da Johns Hopkins sono applicabili a qualsiasi progetto di connessione cerebrale e il loro codice è disponibile per chiunque tenti di mappare un cervello animale ancora più grande, ha detto Vogelstein, aggiungendo che nonostante le sfide, gli scienziati dovrebbero affrontare il topo, possibilmente all’interno del prossimo decennio. Altri team stanno già lavorando a una mappa del cervello del moscerino della frutta adulto. Il co-primo autore Benjamin Pedigo, candidato al dottorato in ingegneria biomedica della Johns Hopkins, si aspetta che il codice del team possa aiutare a rivelare importanti confronti tra le connessioni nel cervello adulto e larvale. Poiché i connettomi vengono generati per più larve e da altre specie affini, Pedigo prevede che le loro tecniche di analisi possano portare a una migliore comprensione delle variazioni nel cablaggio cerebrale.
Il lavoro sulla larva del moscerino della frutta ha mostrato caratteristiche del circuito che ricordavano in modo sorprendente architetture di apprendimento automatico importanti e potenti. Il team prevede che lo studio continuo rivelerà ancora più principi computazionali e potenzialmente ispirerà nuovi sistemi di intelligenza artificiale.
“Quello che abbiamo imparato sul codice per i moscerini della frutta avrà implicazioni per il codice per gli umani”, ha detto Vogelstein. “Questo è ciò che vogliamo capire: come scrivere un programma che porti a una rete cerebrale umana”.
Riferimento: “Il connettoma di un cervello di insetto” di Michael Winding, Benjamin D. Pedigo, Christopher L. Barnes, Heather G. Patsolic, Youngser Park, Tom Kazimiers, Akira Fushiki, Ingrid V. Andrade, Avinash Khandelwal, Javier Valdes-Aleman , Feng Li, Nadine Randel, Elizabeth Barsotti, Ana Correia, Richard D. Fetter, Volker Hartenstein, Carey E. Priebe, Joshua T. Vogelstein, Albert Cardona e Marta Zlatic, 10 marzo 2023, Scienza.
DOI: 10.1126/science.add9330
Gli autori includevano: Michael Winding, Christopher L. Barnes, Heather G. Patsolic, Youngser Park, Tom Kazimiers, Akira Fushiki, Ingrid V. Andrade, Avinash Khandelwal, Javier Valdes-Aleman, Feng Li, Nadine Randel, Elizabeth Barsotti, Ana Correia, Richard D. Fetter, Volker Hartenstein, Carey E. Priebe, Albert Cardona e Marta Zlatic.
Finanziamento: Howard Hughes Medical Institute, Wellcome Trust, Wellcome Trust, NIH/National Institutes of Health, Defense Advanced Research Projects Agency, Air Force Research Laboratory, NIH/National Institutes of Health, National Science Foundation, National Science Foundation
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