Il cervello come mai visto prima, oltre 200mila cellule cerebrali nella mappa in 3D più dettagliata di sempre

Rendering di oltre 1.000 cellule cerebrali tra quelle ricostruite dall'analisi di 1 millimetro cubo di tessuto cerebrale di topo / Credit: Allen Institute

Capire come funziona il cervello significa comprendere la funzione delle cellule cerebrali e la rete in cui operano, una sfida per gli scienziati che, nell’ambito del progetto Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS), hanno ottenuto un nuovo, storico risultato, frutto di nove anni di lavoro. Dettagliato in sette articoli pubblicati su Nature, il lavoro ha portato alla creazione della mappa cerebrale più dettagliata mai realizzata, ricostruendo l’attività di decine di migliaia di neuroni in un millimetro cubo di cervello di topo di una regione cerebrale coinvolta nella vista.

La mappa contiene più di 200mila cellule cerebrali, di cui circa 82mila sono neuroni, e include anche più di 500 milioni di sinapsi e più di 4 chilometri di rete neuronale. Finora, l’unica mappa celebrale equiparabile a questo nuovo risultato è stata quella pubblicata lo scorso anno su Science, che includeva 16mila neuroni e 150 milioni di sinapsi. La nuova mappa ha inoltre mostrato l’attività di decine di migliaia di neuroni, descrivendo i sistemi funzionali coinvolti nella percezione visiva.

La mappa 3D di un millimetro cubo di cervello di topo

Per creare la nuova mappa cerebrale, i ricercatori hanno prima registrato l’attivazione di quasi 76.000 neuroni nella corteccia visiva di un topo mentre guardava diversi video, tra cui spezzoni del film Matrix. Hanno poi sezionato un millimetro cubo del cervello del topo in migliaia di fette di tessuto, ciascuna delle quali era circa un quattrocentesimo dello spessore di un capello umano.

Per ogni sezione, sono state prodotte immagini che hanno poi composto la mappa 3D, con l’ausilio di strumenti di intelligenza artificiale e algoritmi per annotare i neuroni, e loro proiezioni nella rete e le sinapsi. Il team ha anche abbinato i neuroni nella mappa, con le registrazioni delle cellule cerebrali in azione.

“Si tratta, ad oggi, della più grande e dettagliata rappresentazione dei circuiti neurali nel cervello di un mammifero – hanno precisato gli scienziati in una nota – . La mappa promette di accelerare lo studio delle normali funzioni cerebrali: la visione, l’immagazzinamento e l’elaborazione dei ricordi, e la navigazione in ambienti complessi. Altrettanto importante, approfondirà lo studio delle patologie cerebrali in termini anatomici e fisiologici, ovvero in termini di cablaggio e relazioni tra circuiti e segnali. Ciò è particolarmente promettente per le patologie che possono derivare da un cablaggio atipico, come l’autismo e la schizofrenia”.

In totale, il lavoro ha coinvolto 150 ricercatori di 22 diverse università, istituzioni e centri di ricerca, ed stato finanziato principalmente dall’Intelligence Nazionale degli Stati Uniti e dai National Institutes of Health (NIH). “Si tratta di un lavoro fondamentale per le future ricerche su salute, malattie e disordini mentali – hanno affermato i rappresentanti dell’NIH – . L’obiettivo è retroingegnerizzare gli algoritmi del cervello per utilizzarli nelle tecniche di apprendimento automatico di prossima generazione. I cervelli dei mammiferi sono per molti aspetti più efficienti dei computer, ad esempio nell’utilizzare piccole quantità di dati per prendere decisioni complesse. Questa mappa rappresenta un nuovo modo di studiare come lo fanno”.