Immagine, una singola sezione da un cervello di topo. I neuroni in uno strato di corteccia sensoriale (il colore giallo molto denso a destra) sono stati etichettati con fluorescenza verde per tracciare tutti i percorsi derivanti da queste cellule attraverso il cervello. Quando questi assoni raggiungono i loro obiettivi corticali, formano sinapsi attraverso gli strati della corteccia con schemi distinti associati alla direzione del routing delle informazioni. Credito: Allen Institute

Nella loro ricerca per mappare i milioni di autostrade neurali e connessioni nel cervello, i ricercatori dell’Allen Institute hanno fatto un significativo passo in avanti, svelando una nuova visione ad alta risoluzione dello schema elettrico del cervello del topo.

Il loro studio, che è stato pubblicato oggi sulla rivista Nature, ha tracciato migliaia di connessioni tra aree cerebrali e getta le basi  per capire meglio come i circuiti cerebrali potrebbero distorcersi in malattie e disturbi come il morbo di Alzheimer e la schizofrenia

Il set di dati risultante da circa un migliaio di nuovi esperimenti rappresenta la mappa più dettagliata delle connessioni nel cervello di un mammifero fino ad oggi. Sono stati tracciati i  collegamenti neurali all’interno e tra il talamo e la corteccia, il guscio più esterno del cervello dei mammiferi che è responsabile di funzioni di livello superiore come la memoria, il processo decisionale e la comprensione del mondo che ci circonda.

Analizzando i dati, i ricercatori hanno scoperto un “organigramma” sottostante di cablaggio tra le diverse aree che comprendono queste due strutture, mostrando un ordine definito delle connessioni che sono alla base di ciò che fa “battere” il nostro cervello.

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“Queste connessioni sono il modo principale in cui i neuroni comunicano tra loro. Le reti elaborate e complicate nel cervello, i loro diversi percorsi e sottosistemi, elaborano tutto ciò che vediamo, i nostri movimenti, ricordi e sentimenti”, ha affermato Hongkui Zeng, Ph.D., Direttore esecutivo presso l’Allen Institute for Brain Science e autore senior dello studio. “Comprendere la connettività del cervello è fondamentale per capire come funziona il cervello”, ha aggiunto il ricercatore.

Lo studio descrive un’espansione ad alta risoluzione dell’Atlante della connettività cerebrale del topo, una risorsa pubblicamente disponibile che cattura lo schema di cablaggio del topo a livello cerebrale, il suo “connettoma”, a un livello medio (o mesoscale) di risoluzione. L’iterazione originale di quel set di dati, debuttato per la prima volta nel 2014, ha catturato connessioni tra le regioni cerebrali. Per ottenere una visione più dettagliata di come è cablato il cervello dei mammiferi, i ricercatori hanno studiato le connessioni tra classi specifiche di neuroni che coprono due parti principali del cervello, la corteccia e il talamo. Gli esperimenti del team si basavano su un virus appositamente modificato che traccia i percorsi dei neuroni, illuminando le rotte informative del cervello con colori luminosi.

Se la prima iterazione ha catturato l’equivalente dei binari della ferrovia nel sistema di transito del cervello, questa nuova espansione aggiunge i percorsi specifici da un punto all’altro: la versione neurale della linea rossa e della linea blu. Il set di dati appena acquisito mostra connessioni tra i neuroni nel talamo e nella corteccia, utilizzando etichette speciali per illuminare cinque diversi tipi di neuroni che abitano diversi strati della corteccia. Il cervello del topo ha circa 85 milioni di neuroni che creano circa 100 miliardi di connessioni o sinapsi. Nessuno ha ancora mappato un connettoma sinapsi per sinapsi completo di un cervello di mammifero, ma catturare le connessioni fatte da diverse classi di cellule ha permesso ai ricercatori di scoprire nuove informazioni su come è organizzato lo schema elettrico.

“Questo è un altro punto di riferimento dello studio tour-de-force dell’Allen Institute for Brain Science che affronta questioni fondamentali dell’organizzazione del cervello nel topo “, ha affermato Alumni Endowed, Professore di Neuroscienze presso la Washington University School of Medicine a St. Louis e consulente scientifico dell’Allen Institute for Brain Science. “Il team ha acquisito, analizzato e condiviso liberamente una grande quantità di dati di connettività anatomica di alta qualità fino ad oggi esistente per il cablaggio di qualsiasi cervello di mammifero”.

Alterazioni nelle connessioni cerebrali sono state osservate nella malattia di Alzheimer, nel Parkinson e in molte altre malattie e disturbi del cervello.

Julie Harris, Ph.D., Direttore associato di Neuroanatomy presso l’Allen Institute for Brain Science, che ha guidato lo studio sulla connettività, sta ora conducendo un nuovo sforzo esplorando una mappa simile di connessioni in un modello murino di Alzheimer per capire meglio come lo schema elettrico e la sua organizzazione sottostante, potrebbe cambiare in questa forma prevalente di demenza.

Trovare la logica delle connessioni del cervello

“Ciò che è emerso da questi dati è stato un gran casino di connessioni e a prima vista sembrava che tutto fosse collegato a tutto”, ha detto Harris, co-autore principale dell’articolo pubblicato su Nature insieme a Stefan Mihalas, Ph.D. , ricercatore associato presso l’Allen Institute for Brain Science. “La grande domanda per noi era: come si può dare un senso a questi schemi? C’è qualche logica dietro?”

Utilizzando un approccio computazionale, i ricercatori hanno scoperto che diverse sezioni della corteccia e del talamo possono essere mappate in una gerarchia, proprio come l’organigramma di un’azienda. Parti della corteccia che sono specializzate per le informazioni raccolte attraverso i nostri sensi, come la vista e l’olfatto, sono sui gradini inferiori e le regioni che gestiscono input più complicati, come richiamare un ricordo evocato da un profumo familiare, siedono in alto. Le connessioni scorrono sia su che giù nell’organigramma del cervello, ma le connessioni che si muovono verso l’alto sono diverse da quelle che si muovono verso il basso. I ricercatori hanno anche scoperto che non tutte le connessioni rispettano queste leggi gerarchiche. Vi sono indicazioni che la corteccia umana utilizzi lo stesso sistema organizzativo e un precedente studio condotto da Van Essen ha mostrato una gerarchia simile nelle regioni visive del cervello dei primati.

“Questa non è una semplice gerarchia, come una sequenza unidirezionale di gradini ascendenti. Ci sono molte connessioni che non seguono le rigide regole gerarchiche, ma questo ci dice qualcosa sul probabile flusso di informazioni in queste parti del cervello di mammifero”, ha affermato Christof Koch, Ph.D., Chief Scientist e Presidente dell’Allen Institute for Brain Science e uno dei co-autori dello studio. “Il prossimo passo sarà quello di esaminare direttamente come i neuroni trasmettono informazioni attraverso la loro attività elettrica per confermare che questo schema è esatto”.

Fonte, Nature