Ecco come appare il tuo cervello su scala nanometrica
La più grande ricostruzione 3D mai realizzata di una parte del cervello, che mostra nei minimi dettagli ogni cellula e la sua rete di connessioni, è stata effettuata da scienziati americani il cui obiettivo è comprendere meglio il funzionamento dell'organo, ancora in gran parte inspiegabile.
Nel loro lavoro pubblicato sulla rivista scienza (Una nuova finestra) (in inglese), il professore di biologia cellulare Jeff Lichtman e i suoi colleghi sono riusciti a visualizzare in 3D la struttura di un millimetro cubo della corteccia temporale del cervello umano.
Per comprendere appieno come funziona il cervello umano, è necessario comprendere bene la sua struttura ad alta precisione. Un primo piano di una parte mappata in grande dettaglio.
Immagine: Google Research e Lichtman Lab
Il professor Martin Barnett, del centro di ricerca CERVO associato all'Università di Laval, non è stato coinvolto nel lavoro, ma ritiene comunque che la qualità delle immagini ottenute… Impressionante e persino sorprendente se si considera tutto il lavoro che c'è dietro
Questo risultato.
Neurone 101
- Il cervello umano contiene circa 100 miliardi di neuroni.
- Una cellula nervosa è una cellula specializzata progettata per trasmettere informazioni ad altre cellule.
- Trasmette gli impulsi nervosi lungo un tratto chiamato assone.
- Alla fine dell'assone ci sono le sinapsi, che sono aree di comunicazione tra i neuroni.
- Una cellula nervosa riceve informazioni neurali attraverso i suoi dendriti che circondano il suo nucleo.
- Il funzionamento del cervello dipende in gran parte dalle proprietà strutturali e funzionali delle interconnessioni tra i neuroni.
Come un chicco di riso
Se questo millimetro cubo equivale alla dimensione di un chicco di riso, le informazioni che contiene non possono essere trascurate, poiché contiene 57mila cellule, 230 mm di vasi sanguigni e ben 150 milioni di sinapsi.
La più grande ricostruzione 3D con riferimenti incrociati fino ad oggi di un pezzo di cervello umano.
Immagine: Università di Harvard/Lichtman Lab
Innanzitutto, questo millimetro cubo di tessuto sano è stato prelevato da una donna di 45 anni affetta da epilessia durante un intervento chirurgico. Successivamente è stato ridotto a 5.000 Nanochip
1000 volte più sottile di un capello umano.
I ricercatori del laboratorio del professor Lichtman hanno poi scattato immagini al microscopio elettronico di ciascuna di queste fette, per catturare i dettagli della struttura del cervello su scala nanometrica, cioè un milionesimo di millimetro.
Normalmente, un microscopio elettronico può ottenere immagini ad alta risoluzione di un piccolo volume, ma non è il caso di questo studio. Può sembrare piccolissimo, un millimetro cubo, ma per questo tipo di microscopio è enorme
“, sottolinea il professor Parent.
Questa altissima risoluzione permette di vedere dettagli come le connessioni tra le sinapsi, che corrispondono al modo in cui i neuroni comunicano tra loro, cosa impossibile con un microscopio ottico.
Grazie a questa altissima risoluzione, sono stati in grado di classificare diversi tipi di neuroni e vedere come sono collegati
Martin Barnett aggiunge.
Queste informazioni hanno poi consentito agli algoritmi di apprendimento automatico creati da Google di ricostruire il cablaggio estremamente complesso del cervello in 3D. Una parte inaudita del cervello umano.
L'immagine principale mostra i sei strati cellulari della corteccia.
Ciò che è impressionante è che ingrandendo ulteriormente l'immagine utilizzando lo strumento, il livello di dettaglio rimane ad alta risoluzione e risulta molto bella. Puoi spostare l'immagine per visualizzarla in 3D da tutte le angolazioni.
Pietre miliari
Il laboratorio del professor Lichtman è specializzato nello studio delle connessioni neurali, un'area di ricerca dedicata alla creazione di un indice della struttura del cervello, fino alle singole cellule. In definitiva, queste mappe ci permetteranno di comprendere meglio le funzioni cerebrali, così come le sue disfunzioni che portano a malattie neurologiche, che non sono ancora ben comprese.
I ricercatori di Google hanno creato algoritmi di intelligenza artificiale in grado di elaborare i dati raccolti per ricostruire e mappare il tessuto cerebrale in tre dimensioni.
Dieci anni di lavoro
Le informazioni raccolte attraverso questa collaborazione in 10 anni rappresentano non meno di 1.400 terabyte di dati, l'equivalente di 14.000 film 4K.
L’algoritmo di apprendimento automatico ha tracciato il percorso dei neuroni e di altre cellule.
Immagine: Università di Harvard/Lichtman Lab/Google/Dr. pastore
Abbiamo trovato molte cose in questo set di dati che non comprendiamo. C’è ancora un enorme divario tra ciò che sappiamo e ciò che dobbiamo imparare
“, afferma il professor Lichtman in un comunicato stampa.
Nuova conoscenza
Questo lavoro ha permesso di sapere che i dendriti neuronali possono essere classificati in base alla loro direzione. In effetti, queste estensioni degli alberi presentano una strana simmetria, con alcune rivolte in avanti e altre rivolte all'indietro.
Possiamo anche vedere strette spirali di assoni, le minuscole fibre che trasportano i segnali da una cellula cerebrale all'altra.
La visualizzazione ci consente anche di vedere dettagli precedentemente invisibili sulla struttura di un neurone. È importante sapere che in tutti i tessuti cerebrali, la stragrande maggioranza degli assoni (96%) stabilisce una sola connessione con un neurone e un piccolo numero (3%) stabilisce due connessioni. Questo lavoro mostra che un raro insieme di assoni (1%) crea dozzine di connessioni, fino a 50.
I ricercatori ritengono che forti connessioni tra neuroni spieghino comportamenti ben appresi.
Immagine: Università di Harvard/Lichtman Lab/Google/Dr. pastore
Un’ipotesi avanzata per spiegare questi numerosi collegamenti è che aiuterebbero a spiegare come comportamenti ben appresi – come togliere il piede dall’acceleratore per premere il freno a un semaforo rosso – non richiedano quasi alcuna riflessione dopo un allenamento ripetuto.
Il team ha anche osservato alcune caratteristiche distinte nel tessuto cerebrale, come la presenza di un piccolo numero di assoni che formano circuiti estesi. Poiché il campione di tessuto sano è stato prelevato da una persona affetta da epilessia, i ricercatori non hanno voluto speculare sulla natura di queste anomalie, che potrebbero essere patologiche o semplicemente rare.
confine
Secondo Martin Barnett, sebbene l'uso di un microscopio elettronico consenta immagini ad alta risoluzione, presenta anche dei limiti.
Questa tecnica ci mostra come appaiono i neuroni. Ti permette di classificarli in base alla loro forma e vedere come sono collegati. Altre tecniche di microscopia utilizzano l'immunocolorazione che ci consente di vedere le proteine nelle cellule nervose.
L'assenza di etichettatura rappresenta una limitazione, poiché i neuroni possono essere classificati solo in base alla loro forma, indipendentemente dal loro contenuto neurochimico e proteico.
“, nota il professore.
L'insegnante è entusiasta di vedere le foto Grande
Che mostra chiaramente tutte le aree delle cellule nervose.
Ma non sappiamo che lingua parlino! Quali neurotrasmettitori vengono rilasciati? Dopamina, serotonina? Questi neurotrasmettitori sono eccitatori o inibitori?
Questo lavoro permette quindi un'analisi morfologica, ma solo combinando diversi metodi potremo comprendere chiaramente l'attività dei neuroni e tutte le loro connessioni.
Abbiamo indicazioni di contenuti neurochimici con proprietà morfologiche, ma rimangono in gran parte indirette
avviso.
Il professor Barnett aggiunge che bisogna anche tenere conto del fatto che questo millimetro cubo appartiene a una sola persona e che certamente esistono differenze da un individuo all'altro. Tuttavia, questo tipo di lavoro consentirà eventualmente di confrontare i tessuti sani con i tessuti del cervello malato per comprendere come i circuiti sono organizzati… e disorganizzati.
Una cosa è certa, questo lavoro dimostra la grande complessità dell’organizzazione neuronale. È davvero impressionante vedere la complessità del cervello umano… che spesso è più complesso di quello che troviamo in altre specie.
Il lavoro continua… nei topi
Al momento, gli autori del lavoro non intendono mappare l'intero cervello umano, perché la tecnologia semplicemente non è ancora pronta. Invece, i due team vogliono creare una mappa completa e ad alta risoluzione del cablaggio neurale del topo, che richiederebbe comunque circa 1.000 volte la quantità di dati che il gruppo ha appena prodotto da una sezione della corteccia umana lunga un millimetro.
La mappatura del cervello dei topi non è priva di interesse per gli esseri umani, perché consentirebbe, ad esempio, di monitorare l’attività cerebrale associata al libero arbitrio, consentendo così di prendere decisioni individuali.
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