Gli scienziati di Google hanno modellato un frammento del cervello umano con una risoluzione nanometrica, rivelando cellule con caratteristiche precedentemente sconosciute.
Rendering basato su dati di microscopio elettronico, che mostra le posizioni dei neuroni in un frammento della corteccia cerebrale. I neuroni sono colorati in base alle dimensioni. Credito: Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Rendering di D. Berger (Harvard University).
I ricercatori hanno mappato un piccolo pezzo del cervello umano in modo sorprendentemente dettagliato. L’atlante cellulare risultante, descritto oggi su Science e disponibile online, rivela nuovi modelli di connessioni tra cellule cerebrali chiamate neuroni, così come cellule che si avvolgono su se stesse per formare nodi e coppie di neuroni che sono quasi immagini speculari l’una dell’altra.
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 dati pari a 1,4 petabyte. “È un po’ umiliante”, afferma Viren Jain, neuroscienziato di Google a Mountain View, California e coautore del documento. “Come faremo mai a venire davvero a patti con tutta questa complessità?“.
Schegge di cervello
Il frammento di cervello è stato prelevato da una donna di 45 anni quando è stata sottoposta a un intervento chirurgico per curare la sua epilessia. Proveniva 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 quindi tagliato il campione in circa 5.000 fette, ciascuna di soli 34 nanometri di spessore, che potevano essere visualizzate tramite microscopi elettronici.
Il team di Jain ha quindi costruito modelli di intelligenza artificiale in grado di unire le immagini del microscopio per ricostruire l’intero campione in 3D. “Ricordo quel momento, quando sono entrato nella mappa e ho osservato una singola sinapsi del cervello di questa donna, per poi ingrandire gli altri milioni di pixel”, dice Jain. “Mi è sembrato quasi spirituale”.
Un singolo neurone (bianco) mostrato con 5.600 degli assoni (blu) che si collegano ad esso. Le sinapsi che creano queste connessioni sono mostrate in verde. Credito: Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Rendering di D. Berger (Harvard University).
Esaminando il modello in dettaglio, i ricercatori hanno scoperto neuroni non convenzionali, tra cui alcuni che formavano fino a 50 connessioni tra loro. “In generale, troveresti al massimo un paio di connessioni tra due neuroni”, afferma Jain. Altrove, il modello mostrava neuroni con viticci che formavano nodi attorno a sé. “Nessuno aveva mai visto niente del genere prima”, aggiunge Jain.
Il team ha anche trovato coppie di neuroni che erano immagini speculari quasi perfette l’una dell’altra. “Abbiamo trovato due gruppi che avrebbero inviato i loro dendriti in due direzioni diverse, e a volte c’era una specie di simmetria speculare”, dice Jain. Non è chiaro quale ruolo abbiano queste caratteristiche nel cervello.
Sono necessari correttori di bozze
La mappa è così grande che la maggior parte di essa 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 ovviamente si tratta di una piccola percentuale delle 50.000 cellule presenti“, afferma Jain che spera che altri aiutino a correggere le parti della mappa a cui sono interessati. “Il team ha in programma di produrre mappe simili di campioni di cervello di altre persone, ma una mappa dell’intero cervello è improbabile nei prossimi decenni”, afferma.
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Acquisire una comprensione più approfondita del funzionamento della 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 presso la Pennsylvania State University di Hershey.
Fonte:Nature