In un enorme sforzo scientifico finanziato dal National Institutes of Health (NIH), centinaia di ricercatori hanno contribuito a mappare le connessioni tra centinaia di migliaia di neuroni nel cervello del topo e quindi hanno sovrapposto i loro schemi di fuoco in risposta agli stimoli visivi. Questa svolta è un pezzo fondamentale della scienza fondamentale per costruire per capire come i nostri cervelli elaborano informazioni visive per ricostruire le immagini che vediamo ogni giorno.
L’elaborazione delle informazioni nel cervello umano si verifica tramite sparo elettrico di 86 miliardi di neuroni che fanno trilioni di connessioni tra loro. I segreti di come il nostro cervello ci consentono di pensare, sentire e agire nascosti nella complessità del suo diagramma di cablaggio e nella raffica di segnali elettrici che si muovono attraverso i tempi del tempo di millisecondi. Mentre i risultati attuali si concentrano su una piccola frazione del cervello, rivelano le complesse connessioni tra le cellule e mostrano come tali connessioni sono cablate per produrre risposte funzionali. Queste informazioni, che in precedenza erano al di fuori della nostra portata, potrebbero aiutarci a capire come il cervello funziona normalmente e offrire una guida a ciò che va storto come risultato di vari disturbi o lesioni.
Per eseguire lo studio, i ricercatori hanno presentato video clip ai topi geneticamente progettati per far emettere luce i loro neuroni quando sparano. I modelli di fuoco dei neuroni in aree sulla superficie del cervello associate alla visione sono stati registrati otticamente attraverso un millimetro cubo – circa le dimensioni di un granello di sabbia. All’interno di questa quantità ingannevolmente piccola di tessuto si trova una notevole complessità: quattro chilometri di assoni, i processi che le cellule nervose usano per comunicare tra loro, intrecciate per fare oltre 524 milioni di connessioni chiamate sinapsi su oltre 200.000 cellule.
Per mappare questi team di connessioni ha lavorato a 12 ore di turni per 12 giorni consecutivi per tagliare e immaginare le fette ultra-sottili del tessuto cerebrale usando microscopi elettronici (EM). La ricostruzione è stata il passo successivo più impegnativo, in quanto richiedeva cuciture accurate insieme quasi 28.000 immagini EM per allineare le connessioni che attraversano il volume del tessuto cerebrale. Questo è stato seguito da mesi di tracciamento delle connessioni utilizzando algoritmi di apprendimento profondo seguito da manuale e correzione automatica di bozze. Sono stati costruiti e validati i modelli predittivi di Deep Learning che spiegano l’elaborazione delle informazioni visive nella corteccia. In totale, la pura quantità di dati raccolti per creare questa piccola mappa viene fuori a 1,6 petabyte, all’incirca l’equivalente di 22 anni di video HD continuo.
Questi risultati arrivano in un momento in cui le mappe dei neuroni e le loro connessioni rivelano sempre più i misteri del cervello. Nel 2023, ricerca finanziata dal National Institutes of Health Ricerca cerebrale attraverso l’avanzamento delle neurotecnologie innovative® Initiative, o NIH Brain Initiative®, ha prodotto il primo atlante cellulare completo del cervello del topo, compresi i tipi e le posizioni esaminate da oltre 32 milioni di cellule. L’anno scorso, il progetto “Flywire” dell’iniziativa cerebrale NIH ha portato alla mappatura completa del comune cervello della mosca della frutta, dimostrando il valore unico di mappare l’intero cervello nella sua interezza.
Il finanziamento per questo progetto è stato fornito attraverso il programma Machine Intelligence by Cortical Networks (Microns) of the Intelligence Advanced Research Projects Activity e NIH Brain Initiative. I risultati, pubblicati in un pacchetto di 10 articoli pubblicati nel Natura Famiglia di riviste, rappresentano più di sette anni di lavoro svolti da oltre 150 scienziati in tutto il mondo.
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