Per comprendere la piena relazione tra attività cerebrale e comportamento, gli scienziati avevano bisogno di un modo per mappare questa relazione per tutti i neuroni in un intero cervello: una sfida finora insormontabile. Ma dopo aver inventato nuove tecnologie e metodi allo scopo, un team di scienziati del Picower Institute for Learning and Memory del MIT ha prodotto un resoconto rigoroso dei neuroni nel cervello docile di un umile C. elegans verme, mappando come le sue cellule cerebrali codificano quasi tutti i suoi comportamenti essenziali, come il movimento e l’alimentazione.
Nel diario Cellula, il team presenta nuove registrazioni a livello di cervello e un modello matematico che prevede con precisione i modi versatili in cui i neuroni rappresentano i comportamenti del verme. Applicando quel modello specificamente a ciascuna cellula, il team ha prodotto un atlante su come la maggior parte delle cellule e i circuiti a cui prendono parte codificano le azioni dell’animale. L’atlante rivela quindi la “logica” sottostante di come il cervello del verme produce un repertorio sofisticato e flessibile di comportamenti, anche se le sue circostanze ambientali cambiano.
“Questo studio fornisce una mappa globale di come il sistema nervoso dell’animale è organizzato per controllare il comportamento”, ha affermato l’autore senior Steven Flavell, professore associato presso il Dipartimento di cervello e scienze cognitive del MIT. “Mostra come i molti nodi definiti che compongono il sistema nervoso dell’animale codificano precise caratteristiche comportamentali e come ciò dipenda da fattori come la recente esperienza dell’animale e lo stato attuale”.
Gli studenti laureati Jungsoo Kim e Adam Atanas, ognuno dei quali ha conseguito il dottorato di ricerca questa primavera per la ricerca, sono gli autori principali dello studio. Hanno anche messo a disposizione gratuitamente tutti i loro dati e le scoperte del loro modello e atlante per i colleghi ricercatori su un sito Web chiamato WormWideWeb.
Microscopi a modelli
Per effettuare le misurazioni necessarie per sviluppare il loro modello, il laboratorio di Flavell ha inventato un nuovo microscopio e un sistema software che traccia automaticamente quasi tutti i comportamenti del verme (movimento, alimentazione, sonno, deposizione delle uova, ecc.) e l’attività di ogni neurone nel suo testa (le cellule sono progettate per lampeggiare quando gli ioni di calcio si accumulano). Distinguere e tracciare in modo affidabile neuroni separati mentre il worm si dimena e si piega ha richiesto la scrittura di software personalizzato, utilizzando gli strumenti più recenti dell’apprendimento automatico. Si è rivelato accurato al 99,7% nel campionamento delle attività dei singoli neuroni con un rapporto segnale-rumore notevolmente migliorato rispetto ai sistemi precedenti, riferiscono gli scienziati.
Il team ha utilizzato il sistema per registrare il comportamento simultaneo e i dati neurali di oltre 60 vermi mentre vagavano per i loro piatti, facendo quello che volevano.
L’analisi dei dati ha rivelato tre nuove osservazioni sull’attività neurale nel verme: i neuroni tracciano il comportamento non solo del momento presente ma anche del recente passato; regolano la loro codifica di comportamenti, come il movimento, sulla base di una sorprendente varietà di fattori; e molti neuroni codificano contemporaneamente più comportamenti.
Ad esempio, mentre il comportamento di dimenarsi attorno alla propria piccola capsula da laboratorio potrebbe sembrare un atto molto semplice, i neuroni rappresentano fattori come la velocità, lo sterzo e se il verme sta mangiando o meno. In alcuni casi rappresentavano il movimento dell’animale che si estendeva indietro nel tempo di circa un minuto. Codificando il movimento recente, piuttosto che quello attuale, questi neuroni potrebbero aiutare il worm a calcolare in che modo le sue azioni passate hanno influenzato il suo esito attuale. Molti neuroni combinavano anche informazioni comportamentali per eseguire manovre più complesse. Proprio come un guidatore umano deve ricordarsi di guidare l’auto nella direzione opposta quando si va in retromarcia piuttosto che in avanti, alcuni neuroni nel cervello del verme hanno integrato la direzione del movimento dell’animale e la direzione dello sterzo.
Analizzando attentamente questo tipo di modelli di come l’attività neurale correla con i comportamenti, gli scienziati hanno sviluppato il C. elegans Modello probabilistico di codifica neurale. Il modello, racchiuso in una singola equazione, spiega come ogni neurone rappresenta vari fattori per prevedere con precisione se e come l’attività neurale riflette il comportamento. Quasi il 60 percento dei neuroni nella testa del verme era responsabile di almeno un comportamento.
Nell’adattare il modello, il team di ricerca ha utilizzato un approccio di modellazione probabilistica che ha permesso loro di capire quanto fossero certi di ogni parametro del modello di adattamento, un approccio sperimentato dal coautore Vikash Mansinghka, uno dei principali ricercatori che guida il Probabilistic Computing Project del MIT.
Fare un atlante
Nel creare un modello in grado di quantificare e prevedere come qualsiasi cellula cerebrale rappresenterebbe il comportamento, il team ha inizialmente raccolto dati dai neuroni senza tenere traccia delle identità specifiche delle cellule. Ma un obiettivo chiave dello studio dei vermi è capire in che modo ogni cellula e circuito contribuisce al comportamento. Quindi, per applicare la capacità del modello a ciascuno dei neuroni specifici del worm, che erano stati tutti mappati in precedenza, il passo successivo del team è stato quello di mettere in relazione l’attività neurale e il comportamento di ogni cellula sulla mappa. Per fare ciò è stato necessario etichettare ogni neurone con un colore univoco in modo che la sua attività potesse essere associata alla sua identità. Il team ha fatto questo in dozzine di animali che si muovevano liberamente, fornendo loro informazioni su come quasi tutti i neuroni definiti nella testa del verme fossero collegati al comportamento dell’animale.
L’atlante risultante da questo lavoro ha rivelato molte intuizioni, mappando in modo più completo i circuiti neurali che controllano ciascuno dei comportamenti dell’animale. Queste nuove scoperte consentiranno una comprensione più olistica di come questi comportamenti sono controllati, ha detto Flavell.
“Ci ha permesso di completare i circuiti”, ha detto. “La nostra speranza è che mentre i nostri colleghi studiano gli aspetti della funzione del circuito neurale, possano fare riferimento a questo atlante per ottenere una visione abbastanza completa dei neuroni chiave coinvolti”.
Costruito per la flessibilità
Un altro importante risultato del lavoro del team è stata la scoperta che, mentre la maggior parte dei neuroni obbediva sempre alle previsioni del modello, un insieme più piccolo di neuroni nel cervello del verme, circa il 30% di quelli che codificano il comportamento, era in grado di rimappare in modo flessibile il proprio comportamento. codifica, assumendo essenzialmente nuovi lavori. I neuroni di questo gruppo erano simili in modo affidabile tra gli animali ed erano ben collegati tra loro nel diagramma di cablaggio sinaptico del verme.
Teoricamente questi eventi di rimappatura potrebbero verificarsi per una serie di motivi, quindi il team ha condotto ulteriori esperimenti per vedere se potevano causare la rimappatura dei neuroni. Mentre i vermi si contorcevano attorno ai loro piatti, i ricercatori hanno applicato un rapido zap laser che ha riscaldato l’agar attorno alla testa del verme. Il calore era innocuo ma sufficiente a infastidire i vermi per un po’, inducendo un cambiamento nello stato comportamentale dell’animale che durava per minuti. Da queste registrazioni il team è stato in grado di vedere che molti neuroni hanno rimappato la loro codifica comportamentale proprio mentre gli animali cambiavano stato comportamentale.
“Le informazioni comportamentali sono ampiamente espresse nel cervello in molte forme diverse – con sintonizzazioni, scale temporali e livelli di flessibilità distinti – che si mappano sulle classi di neuroni definite del C. elegans connettoma”, hanno scritto gli autori.
Le fonti di finanziamento per la ricerca includono il National Institutes of Health, la National Science Foundation, la McKnight Foundation, la Alfred P. Sloan Foundation, il Picower Institute for Learning and Memory e la JPB Foundation.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
