La seppia nana, con la pelle che cambia colore in base a ciò che vede e sente, potrebbe aiutare i neuroscienziati a porre e rispondere a nuove domande

La seppia nana è un maestro del camuffamento. In pochi millisecondi, l’animale può cambiare sia il modello che la trama della pelle per fondersi dinamicamente con l’ambiente circostante. Il camuffamento è guidato visivamente e, come i suoi cugini calamari e polpi, la seppia controlla il colore della pelle con il cervello. I neuroni all’interno del cervello proiettano i loro assoni fino alla pelle, dove controllano centinaia di migliaia di pixel cellulari (cromatofori) per ottenere il cambiamento di colore.

Quando una seppia si mimetizza, riproduce ciò che vede sulla sua pelle. Per raggiungere questo obiettivo, la seppia deve trasformare il suo input visivo in una rappresentazione neurale nel cervello, e quindi ricreare un analogo di quella rappresentazione sulla sua pelle. Il laboratorio di Richard Axel, MD, vuole capire come la seppia realizza questa sorprendente impresa. Comprendere il modo in cui il mondo visivo è rappresentato nel cervello, sia di un cefalopode che di un essere umano, e come tale rappresentazione porti a pensieri e comportamenti, sono tra le questioni più avvincenti nelle neuroscienze.

Per scoprire le basi neurali del camuffamento della seppia, i membri del laboratorio Axel devono registrare l’attività dei neuroni delle regioni rilevanti del cervello della seppia. Per estrarre il valore più scientifico da quelle registrazioni, però, hanno bisogno anche di una mappa del cervello, che non è stata disponibile. Così il team ha intrapreso un progetto per costruire un atlante neuroanatomico del cervello di seppia nana. Il loro documento di ricerca che descrive il progetto appare oggi online in Biologia attualecon un sito web corrispondente, Cuttlebase.org.

“Uno dei miei approcci preferiti per conoscere il cervello è studiare creature altamente specializzate in particolari comportamenti o compiti, come i pipistrelli che usano l’ecolocalizzazione per navigare, o gli uccelli che usano un’impressionante memoria spaziale per ricordare le posizioni degli alimenti nascosti, ” ha affermato Tessa G. Montague, PhD, prima autrice dell’articolo e borsista post-dottorato nel laboratorio di Richard Axel, MD, anch’egli autore dell’articolo.

“Speriamo e crediamo che il nostro atlante cerebrale aiuterà la comunità a saperne di più sui meccanismi che le seppie usano per esprimersi attraverso la loro pelle, e che questo possa darci un’idea di come qualsiasi cervello sia in grado di rappresentare le informazioni”, ha affermato il dott. Montague.

Per costruire Cuttlebase è stata necessaria una stretta e devota collaborazione di esperti in neuroscienze, imaging tissutale, programmazione informatica, anatomia e web design. Per la base sottostante dell’atlante cerebrale, il team ha scansionato i corpi e il cervello di quattro seppie maschi e quattro femmine utilizzando la risonanza magnetica (MRI), un pilastro diagnostico per i medici. Un algoritmo di apprendimento profondo, un tipo di intelligenza artificiale, ha aiutato a estrarre il cervello degli animali dal tessuto circostante, nei dati di scansione.

La coautrice Sabrina Gjerswold-Selleck, che ha recentemente completato un master alla Columbia University e ora lavora per Neuralink, ha affermato che il team ha avuto un inizio di corsa con la ricerca a causa del lavoro correlato che aveva svolto nel gruppo della coautrice Jia Guo alla Columbia con scansioni MRI di topi.

“Avevamo sviluppato un approccio di apprendimento profondo che era in grado di separare i dati relativi al cervello in ogni scansione MRI dai dati collegati ad altri tipi di tessuto in queste scansioni”, ha affermato Gjerswold-Selleck. “Siamo rimasti sorpresi di quanto siamo stati in grado di adattare la tecnica”.

Successivamente, confrontando le scansioni MRI con solo una manciata di immagini cerebrali etichettate degli anni ’60, i ricercatori hanno dovuto determinare i confini di ciascun lobo cerebrale di seppia nana.. Questo è stato uno sforzo monumentale di analisi dei dati da parte di sei dei coautori che hanno dedicato centinaia di ore durante la pandemia a delineare gli otto set di dati sulle seppie.

Ciò ha portato a centinaia di immagini in scala di grigi con contorni delle regioni del cervello analoghe, diciamo, ai contorni di stati e contee in un atlante di più pagine degli Stati Uniti. Per aggiornare il loro atlante del cervello di seppia in modo che offra una risoluzione cellulare – equivalente a un atlante dettagliato che mostra tutte le strade, le colline, i laghi e i fiumi degli stati – i ricercatori si sono rivolti a tecniche istologiche, che rivelano la struttura microscopica del tessuto . Ciò ha richiesto ai biologi del team di sezionare meticolosamente i cervelli di seppia e quindi colorarli ciascuno con etichette chimiche colorate che contrassegnano le posizioni delle cellule e delle parti cerebrali, inclusi neuroni, cellule gliali e assoni.

Una delle tante viste nel webtool Cuttlebase del cervello multilobato della seppia nana Sepia bandensis (Credito: squadra di seppie/Axis Lab/Zuckerman Institute)

Infine, dopo aver completato l’atlante istologico e annotato le otto scansioni MRI di seppia, i ricercatori hanno unito gli otto cervelli in un unico atlante. In totale, hanno identificato 32 lobi nella seppia nana, la maggior parte dei quali potrebbero essere collegati a funzioni e comportamenti biologici specifici, sulla base di studi classici di mezzo secolo fa. I due lobi più grandi, i lobi ottici, elaborano l’input visivo dagli occhi ipnotizzanti dell’animale, per esempio. I motoneuroni nei lobi dei cromatofori orchestrano i meccanismi di cambiamento del colore nella pelle. Un lobo verticale è stato implicato nell’apprendimento e nella memoria.

Sebbene questa analisi dei dati sulle seppie sia di per sé importante, “lo scopo principale del documento è riportare lo strumento di visualizzazione e ricerca, Cuttlebase, e renderlo tutto liberamente disponibile e facilmente accessibile a tutti”, ha affermato il dott. Montague.

Con facilità intuitiva, gli utenti possono richiamare sezioni istologiche che specificano diverse regioni e nervi del cervello; un modello 3D ruotabile e zoomabile del cervello; e un modello 3D dei 26 organi della seppia, inclusi i suoi tre cuori, la sacca dell’inchiostro, il becco e i nervi che portano i segnali tra il cervello e le sue otto braccia. Tutti i dati in Cuttlebase sono disponibili per altri ricercatori su cui basarsi nei loro laboratori. Spiegazioni dei lobi cerebrali e altre funzioni di facile utilizzo forniscono risorse di apprendimento per i non esperti.

I coautori Sukanya Aneja e Dana Elkis (rispettivamente ingegnere web e web designer del team) dell’Interactive Telecommunications Program presso la New York University, che sono anche membri del team di Cuttlebase, hanno svolto ruoli di primo piano nello sviluppo del sito web.

“Abbiamo discusso molto su come tradurre tutto ciò che avevamo in un’esperienza basata sul Web che sarebbe stata interessante sia per gli scienziati che per i non scienziati”, ha affermato Aneja.

“Avevamo bisogno di combinare video, immagini, cervello modello 3D, illustrazioni, grafici e diagrammi”, ha osservato Elkis.

La coautrice Isabelle Rieth, una studentessa laureata presso il programma interdipartimentale di neuroscienze della Northwestern University ed ex membro del team di Cuttlebase, ha apportato ulteriori competenze di progettazione per trasformare quella che altrimenti sarebbe stata un’esperienza web in bianco e nero in un’esperienza piena di colori che aiutano a chiarire cosa vedono gli utenti.

Per quanto impegnativo e laborioso sia stato il progetto per i collaboratori, non possono fare a meno di rimanere innamorati delle seppie con cui lavorano e di cui stanno imparando.

“Le seppie sono affascinanti da guardare”, ha detto il dottor Montague. “Quando si mimetizzano o comunicano tra loro, ti stanno effettivamente rivelando sulla loro pelle ciò che vedono e come si sentono.”