Ricostruzione 3D di un pezzo di cervello umano

Per comprendere meglio la sua struttura, gli scienziati hanno ricostruito al microscopio elettronico un millimetro cubo di corteccia temporale umana

Sebbene le funzioni svolte dalla maggior parte degli organi vitali nell’uomo non siano molto diverse rispetto a quelle degli altri animali, quelle svolte dal cervello umano ci separano nettamente dal resto della vita sul pianeta. Tuttavia, mancano conoscenze dettagliate sui circuiti sinaptici alla base del funzionamento del cervello umano. Sono ora disponibili approcci di imaging connettomico per riprodurre circuiti neurali di volume sufficientemente grande e con una risoluzione sufficientemente elevata per studiare la connettività a livello dei singoli neuroni e le loro connessioni sinaptiche, ma su una scala comprendente migliaia di neuroni.

Un millimetro cubo di tessuto cerebrale potrebbe non sembrare molto. Ma considerando che un minuscolo quadrato contiene 57.000 cellule, 230 millimetri di vasi sanguigni e 150 milioni di sinapsi, per un totale di 1.400 terabyte di dati, i ricercatori di Harvard e Google hanno appena realizzato qualcosa di enorme.

Un team di Harvard guidato dal dottor Jeff W. Lichtman (1), che è un Professore di Biologia Molecolare e Cellulare e recentemente nominato preside della facoltà di scienze, ha co-creato con i ricercatori di Google la più grande ricostruzione 3D a risoluzione sinaptica di un pezzo di cervello umano mai realizzata fino ad oggi, mostrando in vivido il dettaglio di ogni cellula e la sua rete di connessioni neurali in un pezzo di corteccia temporale umana grande circa la metà di un chicco di riso.

L'impresa, pubblicata su Science (2), è l'ultima di una collaborazione di quasi 10 anni con gli scienziati di Google Research, che combinano l'imaging al microscopio elettronico di Lichtman con algoritmi di intelligenza artificiale per codificare a colori e ricostruire il cablaggio estremamente complesso del cervello dei mammiferi. I tre co-primi autori dell'articolo sono l'ex ricercatore post-dottorato di Harvard Alexander Shapson-Coe; Michal Januszewski di Google Research e il ricercatore post-dottorato di Harvard Daniel Berger.

L'obiettivo finale della collaborazione, sostenuta dalla BRAIN Initiative del National Institutes of Health (3), è quello di creare una mappa ad alta risoluzione del cablaggio neurale dell'intero cervello di un topo, che comporterebbe circa 1.000 volte la quantità di dati appena prodotti dal cervello di 1 cubo.

«La parola 'frammento' è ironica», ha detto Lichtman. «Un terabyte è, per la maggior parte delle persone, gigantesco, eppure un frammento di un cervello umano – solo un minuscolo pezzettino di cervello umano – rappresenta una capacità di migliaia di terabyte».

L'ultima mappa pubblicata su Science contiene dettagli mai visti prima della struttura del cervello, incluso un raro ma potente insieme di assoni collegati da un massimo di 50 sinapsi. Il team ha anche notato stranezze nel tessuto, come un piccolo numero di assoni che formavano estesi vortici. Poiché il campione è stato prelevato da un paziente affetto da epilessia, non sono sicuri se tali formazioni insolite siano patologiche o semplicemente rare.

Il campo di Lichtman è la “connettomica”, che, analogamente alla genomica, cerca di creare cataloghi completi della struttura del cervello, fino alle singole cellule e al cablaggio. Tali mappe complete aprirebbero la strada verso nuove conoscenze sulle funzioni cerebrali e sulle malattie, di cui gli scienziati sanno ancora molto poco.

Gli algoritmi di intelligenza artificiale (IA) all'avanguardia di Google consentono la ricostruzione e la mappatura del tessuto cerebrale in tre dimensioni. Il team ha inoltre sviluppato una serie di strumenti disponibili al pubblico che i ricercatori possono utilizzare per esaminare e annotare il connettoma.

«Dato l'enorme impegno investito in questo progetto, era importante presentare i risultati in modo che chiunque altro potesse trarne vantaggio», ha affermato Viren Jain (4), collaboratore di Google Research.

Successivamente il team si occuperà della formazione dell'ippocampo del topo, importante nell'ambito delle neuroscienze per il suo ruolo nella memoria e nelle malattie neurologiche.

Riferimenti:

(1) Jeff W. Lichtman

(2) A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution

(3) Human brain seems impossible to map. What if we started with mice?

(4) Viren Jain

Descrizione foto: Sei strati di neuroni eccitatori codificati a colori in base alla profondità. - Credit: Google Research and Lichtman Lab.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Epic science inside a cubic millimeter of brain