Millimetro cubo di cervello mappato con dettagli spettacolari

La mappa 3D copre un volume di circa un millimetro cubo, un milionesimo di un intero cervello e contiene circa 57.000 cellule e 150 milioni di sinapsi, le connessioni tra i neuroni. Incorpora la colossale quantità di 1,4 petabyte di dati. Afferma Viren Jain, neuroscienziato di Google a Mountain View, California e coautore dell’articolo: “Come riusciremo mai a venire a patti con tutta questa complessità?”

Il frammento di cervello è stato prelevato da una donna di 45 anni quando ha subito un intervento chirurgico per curare la sua epilessia. Proviene dalla corteccia, una parte del cervello coinvolta nell’apprendimento, nella risoluzione dei problemi e nell’elaborazione dei segnali sensoriali. Il campione è stato immerso in conservanti e colorato con metalli pesanti per rendere le cellule più facili da vedere. Il neuroscienziato Jeff Lichtman dell’Università di Harvard a Cambridge, Massachusetts e i suoi colleghi, hanno poi tagliato il campione in circa 5.000 fette, ciascuna di soli 34 nanometri di spessore, che potrebbero essere riprese utilizzando microscopi elettronici.

Il team di Jain ha quindi costruito modelli di intelligenza artificiale in grado di unire insieme le immagini del microscopio per ricostruire l’intero campione in 3D. “Ricordo questo momento, quando sono entrato nella mappa e ho osservato una singola sinapsi del cervello di questa donna, per poi ingrandire questi altri milioni di pixel”, afferma Jain. “Sembrava qualcosa di spirituale“.

Esaminando il modello in dettaglio, i ricercatori hanno scoperto neuroni non convenzionali, tra cui alcuni che stabilivano fino a 50 connessioni tra loro. “In generale, si troverebbero al massimo un paio di connessioni tra due neuroni”, afferma Jain. Altrove, il modello ha mostrato neuroni con viticci che formavano nodi attorno a sé. “Nessuno aveva visto niente di simile prima“, aggiunge Jain.

Il team ha anche scoperto coppie di neuroni che erano immagini speculari quasi perfette l’uno dell’altro. “Abbiamo trovato due gruppi che inviavano i loro dendriti in due direzioni diverse, e talvolta c’era una sorta di simmetria speculare“, dice Jain. Non è chiaro quale ruolo abbiano queste caratteristiche nel cervello.

Servono correttori di bozze

La mappa è così grande che la maggior parte deve ancora essere controllata manualmente e potrebbe ancora contenere errori creati dal processo di unione di così tante immagini. “Centinaia di cellule sono state ‘corrette’, ma si tratta ovviamente di una piccola percentuale delle 50.000 cellule presenti”, afferma Jain. Spera che altri aiutino a correggere le parti della mappa a cui sono interessati. Il team prevede di produrre mappe simili di campioni di cervello di altre persone, ma una mappa dell’intero cervello è improbabile nei prossimi decenni.

“Questo articolo è davvero il tour de force per la creazione di un set di dati sulla corteccia umana“, afferma Hongkui Zeng, Direttore dell’Allen Institute for Brain Science di Seattle. L’enorme quantità di dati che sono stati resi liberamente accessibili “permetteranno alla comunità di guardare più in profondità nei microcircuiti della corteccia umana”, aggiunge.

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Acquisire una comprensione più profonda di come funziona la corteccia potrebbe offrire indizi su come trattare alcune malattie psichiatriche e neurodegenerative. “Questa mappa fornisce dettagli senza precedenti che possono svelare nuove regole delle connessioni neurali e aiutare a decifrare il funzionamento interno del cervello umano”, afferma Yongsoo Kim, neuroscienziato della Pennsylvania State University di Hershey.

Immagine Credit Public Domain.

Di Carissa Wong

Fonte: Nature