Una nuova visione del cervello umano mostra i suoi residenti cellulari in tutta la loro gloria selvaggia e bizzarra. La mappa, disegnata da un minuscolo pezzo di cervello di una donna, traccia le varie forme di 50.000 cellule e 130 milioni di connessioni tra di loro.
Questa intricata mappa, denominata H01 per “campione umano 1”, rappresenta una pietra miliare nella ricerca degli scienziati di fornire descrizioni sempre più dettagliate di un cervello. “È assolutamente bellissimo”, afferma il neuroscienziato Clay Reid dell’Allen Institute for Brain Science di Seattle. “Nel miglior modo possibile, è l’inizio di qualcosa di molto eccitante“.
Scienziati dell’Università di Harvard, Google e molte altre, hanno preparato e analizzato il campione di tessuto cerebrale. Più piccolo di un seme di sesamo, il pezzo di cervello era circa un milionesimo del volume di un intero cervello. Proviene dalla corteccia, lo strato esterno del cervello responsabile del pensiero complesso, di una donna di 45 anni sottoposta a un intervento chirurgico per l’epilessia.
Dopo essere stato rimosso, il campione di cervello è stato rapidamente preservato e colorato con metalli pesanti che hanno rivelato le strutture cellulari. Il campione è stato quindi tagliato in più di 5.000 pezzi sottilissimi e ripreso con potenti microscopi elettronici.
I programmi di calcolo hanno ricucito le immagini risultanti e i programmi di intelligenza artificiale hanno aiutato gli scienziati ad analizzarle. Una breve descrizione della vista risultante è stata pubblicata come prestampa il 30 maggio su bioRxiv.org.
Il set di dati completo è disponibile gratuitamente online. Per ora, i ricercatori stanno appena iniziando a scorgere il nuovo quadro disponibile. “Abbiamo davvero appena fatto il primo passo in questo set di dati“, afferma il coautore dello studio Jeff Lichtman, neurobiologo dello sviluppo dell’Università di Harvard. Lichtman dopo aver confrontato la mappa del cervello con Google Earth: “Ci sono gemme da trovare, ma nessuno può dire di aver guardato l’intero“.
Il cervello umano è ancora ricolmo di misteri
Ma già sono apparsi alcuni luoghi “fantasticamente interessanti”, dice Lichtman. “Quando hai grandi set di dati, improvvisamente queste cose strane, queste cose rare iniziano a risaltare“. Una di queste curiosità riguarda le sinapsi, punti di connessione in cui i segnali si muovono tra le cellule nervose.
Di solito, la maggior parte degli assoni che inviano messaggi toccano un dendrite che riceve il messaggio solo una volta. Nel nuovo set di dati, circa il 90 percento delle connessioni erano questi contatti one-hit. Alcune coppie di celle hanno un po’ più di contatti. Ma ogni tanto, i ricercatori hanno individuato cellule che si connettono più volte, inclusa una coppia che era collegata da ben 19 sinapsi.
Più connessioni sono state individuate nel cervello di topo, anche se non così abbondantemente come in questo campione umano. E i cervelli delle mosche possono anche avere molte connessioni tra le cellule, sebbene siano più disperse delle connessioni umane appena descritte, afferma il neuroscienziato Pat Rivlin del Janelia Research Campus dell’Howard Hughes Medical Institute di Ashburn, in Virginia.
Rivlin lavora al progetto FlyEM, che mira a creare mappe dettagliate del sistema nervoso del moscerino della frutta. L’ampio set di dati sul cervello umano fornisce una ripartizione di quanto siano comuni questi tipi di connessioni, afferma Reid. E questo solleva la questione di cosa potrebbero fare queste sinapsi straordinariamente forti nel cervello. Queste cellule potrebbero essere in grado di costringere la loro cellula bersaglio in azione in modo potente, ipotizza Lichtman.
Forse le informazioni meccaniche, come sapere 5 per 5 fa 25 o sapere di fermarsi a un semaforo rosso, si basano su questi potenti input che guidano in modo efficiente le informazioni attraverso il cervello.
Il neuroscienziato molecolare Seth Grant dell’Università di Edimburgo sottolinea che, sebbene la mappa sia uno strumento prezioso, mostra solo l’anatomia del cervello. Altre ricerche aiuteranno a chiarire la funzione e la composizione delle molecole che guidano il comportamento del cervello. Per ora, la mappa è “uno strumento esplorativo”, dice.
Una curiosità da esplorare ulteriormente è l’osservazione da parte del team di due cellule nervose, o neuroni, che sembravano intrecciarsi in una danza simmetrica. Le immagini hanno anche rivelato assoni di neuroni che inviano messaggi che formano elaborate spirali, spirali insolite e misteriose che sembrano serpenti arrotolati. “Non avevamo mai visto niente del genere”, dice Lichtman.
Una volta che i ricercatori hanno saputo come cercare queste bobine, ne sono emerse sempre di più. Queste mappe cerebrali estremamente dettagliate sono il culmine di anni di ricerca, afferma Reid, che sta lavorando su mappe di topo e cervello umano presso l’Allen Institute.
“È questo momento magico della storia” in cui gli strumenti per la creazione di mappe, come metodi computazionali, apprendimento automatico e potenti microscopi, sono tutti disponibili, . “Questo lavoro sta appena iniziando a vedere la luce del giorno“.
Ciò che queste mappe riveleranno alla fine è ancora da indovinare. Lichtman è cauto sul fatto che queste mappe portino a una profonda comprensione del cervello. “Penso che il meglio che possiamo fare è descrivere. Spero che a un certo punto arriveremo in un posto in cui non saremo più sorpresi da ciò che vediamo“ afferma Reid.
