21/04/2025
La mappa più dettagliata mai realizzata del cervello di un mammifero
di Miryam Naddaf/Nature
Una rappresentazione di oltre 1000 cellule cerebrali ricostruite dall'analisi di 1 millimetro cubo di tessuto cerebrale di topo (©Allen Institute) ()
La ricostruzione tridimensionale di 1 millimetro cubo di tessuto cerebrale di topo ottenuta con una tecnica innovativa mostra l'attività e le interconnessioni dei neuroni su larga scala
Un gruppo di ricercatori ha realizzato il più grande e dettagliato diagramma di interconnessioni del cervello di un mammifero, mappando le cellule in 1 millimetro cubo di tessuto cerebrale di un topo. Il diagramma, che rappresenta una pietra miliare, illustra anche l'attività dei singoli neuroni su larga scala – una novità assoluta nel campo delle neuroscienze.
La mappa 3D ad alta risoluzione contiene più di 200.000 cellule cerebrali, di cui circa 82.000 sono neuroni. Include anche più di 500 milioni di punti di connessione neuronale chiamati sinapsi e più di 4 chilometri di connessioni neuronali, il tutto in un piccolo volume di tessuto in una regione del cervello coinvolta nella visione. L'unica mappa cerebrale di scala comparabile è quella di 1 millimetro cubo di cervello umano, che comprendeva 16.000 neuroni e 150 milioni di sinapsi. La nuova mappa ha anche catturato l'attività di decine di migliaia di neuroni che emettono segnali e interagiscono tra loro per elaborare le informazioni visive.
Questa mappa dell'attività cerebrale, combinata con il diagramma delle connessioni, segna una pietra miliare nella connettomica, un campo che mira a mostrare in che modo i cervelli elaborano e organizzano le informazioni. Dietro questi sforzi massicci ci sono più di 150 ricercatori del progetto Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS), che hanno descritto il loro lavoro in un pacchetto di otto articoli pubblicati su "Nature" e "Nature Methods". Il progetto MICrONS ha messo le sue risorse a disposizione della comunità delle neuroscienze on line e altri gruppi le stanno già esplorando in diversi studi.
"Sono riusciti a fare qualcosa che non abbiamo mai fatto come comunità di neuroscienze in pratica in tutta la nostra storia, cioè essere in grado di mappare l'attività dei neuroni nelle connessioni di una popolazione molto ampia di neuroni", sottolinea Mariela Petkova, neuroscienziata della Harvard University a Cambridge, nel Massachusetts, che non è coinvolta nel progetto. "Non l'abbiamo mai osservato su questa scala."
I dati "sono davvero meravigliosi", afferma Forrest Collman, neuroscienziato dell'Allen Institute for Brain Science di Seattle di Washington, negli Stati Uniti, coautore degli studi. "Guardarli mette davvero in soggezione per il senso di complessità del cervello, che è molto simile a guardare le stelle della notte."
Un topo in una matrice
Per creare la mappa rivoluzionaria, i ricercatori hanno prima registrato l'attivazione di quasi 76.000 neuroni nella corteccia visiva di un topo mentre l'animale guardava per due ore vari video, tra cui spezzoni del film Matrix. Poi hanno tagliato 1 millimetro cubo del cervello del topo in migliaia di fette di tessuto, ognuna larga circa un quattrocentesimo di un capello umano.
Gli scienziati hanno poi fotografato ogni sezione e assemblato le immagini in una mappa 3D. Infine, hanno utilizzato algoritmi di intelligenza artificiale e di apprendimento automatico per annotare i neuroni, le loro proiezioni ramificate e le loro sinapsi. Il gruppo ha anche confrontato i neuroni della mappa con le registrazioni delle cellule cerebrali in azione.
Moritz Helmstaedter, neuroscienziato al Max-Planck-Institut per la ricerca sul cervello di Francoforte, in Germania, afferma che "la combinazione di funzione e struttura a quella scala" è senza precedenti. Si tratta di "un'impresa e un successo davvero impressionanti".
Si attivano insieme, sono connessi tra loro
Il lavoro ha permesso di capire le regole di base che modellano i circuiti neurali nel cervello del topo. Per esempio, gli autori hanno scoperto che i neuroni della corteccia che rispondono a tipi simili di caratteristiche visive – come certe forme o direzioni di movimento – spesso formano connessioni tra loro, indipendentemente dalla distanza, più di quanto non facciano con i neuroni specializzati in un tipo diverso di caratteristiche.
I risultati aggiungono un nuovo aspetto a una teoria da tempo sostenuta nelle neuroscienze, ovvero che "i neuroni che si attivano insieme sono collegati tra loro". Gli studi precedenti hanno testato questa teoria solo su un numero limitato di neuroni e sinapsi. Lo studio attuale dimostra che "c'è una diversità nel grado di applicazione di questa regola in tutti i diversi componenti della corteccia", aggiunge.
I ricercatori di MICrONS sperano che il loro insieme di dati possa aiutare a rivelare varie caratteristiche e processi nel cervello. "Ci sono aree corticali di ogni tipo che comprendiamo a diversi livelli di dettaglio e in modi diversi. E credo che questo sia solo l'inizio della relazione tra struttura e funzione", afferma Clay Reid, neurobiologo dell'Allen Institute e coautore dei documenti di MICrONS.
Helmstaedter spiega che i ricercatori possono usare le mappe delle connessioni per studiare in che modo il cervello immagazzina e ricorda i ricordi visivi, come "il ricordo dell'ultima festa di compleanno o dei nostri nonni". Queste sono "le grandi domande aperte sulla corteccia dei mammiferi che sono ancora fondamentali", aggiunge.
La mappa appena pubblicata copre circa lo 0,2 per cento del cervello del topo, ma il gruppo di MICrONS sta testando le tecnologie per mappare l'intero cervello dell'animale, conclude Nuno Maçarico da Costa, neuroanatomista dell'Allen Institute e altro coautore dei documenti di MICrONS.
(L'originale di questo articolo è stato pubblicato su "Nature". Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)
