L’esplorazione del cervello umano ha rivelato misteriose coppie di neuroni: il quadro più dettagliato delle connessioni del cervello umano fino ad oggi

Disponibile online gratuitamente Un dispositivo di imaging cerebrale contenente 50.000 cellule rappresentate in tre dimensioni. Le cellule sono attaccate a centinaia di milioni di ragnatele, formando 130 milioni di sinapsi. I dati occupano 1,4 petabyte, che è circa 700 volte più della capacità media di un computer moderno.

Ci sono molti dati che i ricercatori non hanno ancora studiato in dettaglio, afferma Vereen Jane di Google Research, con sede a Mountain View, in California. Questo è paragonabile al genoma umano, che è ancora in fase di studio, anche se sono passati 20 anni dalla pubblicazione del suo primo progetto.

Per la prima volta abbiamo visto la vera struttura di una parte così ampia del cervello, che era assente, osserva Catherine Dulac dell’Università di Harvard. “È anche un po’ sentimentale.”


Immagine del cervello / foto del laboratorio Lichtman.

Questo lavoro monumentale è iniziato quando un team guidato da Jeff Lichtman, anche lui dell’Università di Harvard, ha prelevato un piccolo pezzo di cervello di una donna di 45 anni con epilessia resistente ai farmaci. Ha subito un intervento chirurgico per rimuovere un ippocampo sinistro spastico. Per fare ciò, i chirurghi hanno anche dovuto rimuovere parte del tessuto cerebrale sano che ricopre l’ippocampo.

Lichtmann e il team hanno immerso il campione in un conservante simile a un tappetino, quindi lo hanno spalmato con metalli pesanti come l’osmio per rendere visibili le membrane esterne di ogni cellula al microscopio elettronico. Successivamente è stato trattato con resina per renderlo più resistente. Infine, sono stati tagliati in fette spesse circa 30 nanometri – circa un millesimo dello spessore di un capello umano – e ciascuna è stata fotografata al microscopio elettronico.

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Successivamente, il team Jain di Google ha assunto il compito e ha realizzato un’immagine 3D da sezioni 2D. Attraverso l’apprendimento automatico, hanno ricostruito i fili che collegano i neuroni e descritto i diversi tipi di cellule.

È solo una piccola parte del cervello. Come dice Jain, il modo migliore per capire la sua scala è pensare a una risonanza magnetica funzionale (fMRI) che mostri l’attività di diverse aree del cervello. “Tutti i dati che generiamo includono un millimetro cubo, che in genere è un pixel da una scansione fMRI”, afferma. “È interessante rivelare tutto sotto un singolo pixel di una risonanza magnetica”.


immagine del cervello.  La fotografia di Lichtman Lab

immagine del cervello. La fotografia di Lichtman Lab

Dulac descrive i dati come “un tesoro di molti anni”. Il team ha già fatto molte scoperte nel campo della connettività cerebrale: ad esempio, ha scoperto che il numero di connessioni tra i neuroni è molto variabile.

Tipicamente, i filamenti di un singolo neurone che passano formano solo una sinapsi, meno di 2 o 4. Ma alcuni filamenti formano fino a 20 singole sinapsi, il che significa che è probabile che lo stesso filamento inneschi l’azione del neurone.

Non è chiaro il motivo per cui ciò si verifica, ma Lichtman ipotizza che il comportamento appreso dipenda da tali connessioni polisinaptiche. “Molte cose il cervello Esegue consapevolmente, pensa, risolve problemi, prende decisioni e ci sono cose che facciamo automaticamente, anche se non possono essere determinate a livello genetico”, dice, ad esempio, fermandosi quando vede un semaforo rosso. Questi super -Connessioni forti garantiranno che i messaggi vadano molto velocemente su questi la rete.

Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto coppie di neuroni misteriose e precedentemente sconosciute nel profondo della corteccia cerebrale. “Queste due cellule giacciono sullo stesso asse in direzioni completamente opposte”, afferma Lichtman. Nessuno sa perché.

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immagine del cervello.  La fotografia di Lichtman Lab

immagine del cervello. La fotografia di Lichtman Lab

Connessioni cerebrali distintive, o sinapsi, si sono staccate dalla prima svolta negli anni ’80, quando i ricercatori hanno chiamato 302 neuroni nel sistema nervoso del verme Caenorhabditis elegans. Jain, Dulac e Lichtman hanno partecipato a un gruppo che nel 2020 ha supportato la delucidazione di tutte le connessioni del cervello di topo con dettagli simili.

“L’intero cervello del topo è solo 1.000 volte più grande, ovvero exabyte anziché petabyte”, afferma Lichtman. “È la quantità di lavoro che probabilmente saremo in grado di fare in un decennio”. Dulac vuole vedere come la corteccia si collega ad altre parti del cervello e un’immagine del cervello di un topo lo rivelerà.

Un’immagine dell’intero cervello umano richiederebbe un’ulteriore memoria 1.000 volte maggiore, uno zettabyte, che, afferma Lichtman, “è paragonabile al contenuto digitale creato ogni anno sul pianeta Terra”.

Ma potrebbe non valere la pena farlo. “Potrebbe risultare che molte di queste informazioni sono codificate acquisite dall’esperienza, quindi ogni cervello sarà diverso da tutti gli altri”, dice. “Senza capire come vengono archiviate le informazioni, questi dati rimarranno privi di significato”.

Dulac osserva che un vantaggio più rapido sarebbe quello di studiare le differenze nella distribuzione delle cellule nelle persone con diverse condizioni di salute mentale. “Ricerche simili possono essere fatte nelle persone con malattie mentali”, dice, facendo più luce sulle manifestazioni di condizioni come la schizofrenia.

Fonte: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1

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