home tecnologie emergenti Mappa di un millimetro cubo del cervello umano

"Cervello umano: immagini spettacolari svelano architetture sconosciute!"

Qualcosa di straordinario è successo in questi primi giorni di maggio del 2024! I ricercatori di Google e un gruppo di neuroscienziati di Harvard hanno pubblicato la più grande ricostruzione 3D del cervello umano mai realizzata finora. Grazie all’azione combinata di tecniche sofisticate di biologia molecolare e dell'intelligenza artificiale hanno ottenuto immagini mozzafiato, mai viste prima; immagini che, se da una parte confermano la complessità di questo organo, dall’altra potrebbero essere un primo passo importante per rispondere alle domande fondamentali: come funziona? perché e come si ammala? L’aspetto più affascinante ed entusiasmante riguarda i dettagli senza precedenti sull'anatomia del cervello e sulle connessioni tra le cellule cerebrali.

Obiettivi e metodi della ricerca

La ricerca è stata pubblicata su Science il 10 maggio 2024 (A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution) e rientra in un settore preciso: la connettomica. Poter trovare una risposta alle domande fondamentali sul funzionamento del cervello significa mappare il nostro organo. In altre parole capire come ogni cellula si connette alle altre. Non è un lavoro da poco considerati i 100 miliardi di cellule che costituiscono il cervello ma la ricerca è partita con esemplari molto più semplici dell’uomo.
Il primo connettoma è stato pubblicato nel 1986 e riguardava un nematode il Caenorhabditis elegans con soli 302 neuroni. Eppure il lavoro è durato 16 anni. I ricercatori sezionavano trasversalmente il nematode e coloravano manualmente i neuroni da una sezione trasversale all’altra per individuare le relative connessioni.
Dieci anni fa si formava il team di ricerca Connectomics di Google Research che ha iniziato a collaborare con Max Planck Institute, HHMI Janelia Research Campus, Harvard University e altre organizzazioni. Dieci anni fa la tecnologia era completamente diversa rispetto agli anni Settanta e Ottanta. A disposizione dei ricercatori c’erano già algoritmi di Machine Learning e strumenti software molto sofisticati e altri ne sono stati aggiunti. Per esempio per superare la colorazione manuale dei neuroni sono state studiate e realizzate reti di riempimento che sono in grado di ricostruire i neuroni attraverso strati di tessuto in modo automatico. Altro strumento indispensabile si è mostrato l’algoritmo SegCLR che identifica parti di cellule e tipi di cellule all’interno delle reti di riempimento. Da non dimenticare TensorStore, la libreria software C++ e Python open source per archiviare e gestire l’enorme mole di dati che si ricava da queste ricerche.
Per un’ulteriore descrizione delle tecnologie utilizzate dal gruppo di ricerca potete dare un’occhiata alla pagina “Enabling modern connectomics"

Il primo risultato dell’applicazione di queste tecnologie risale al 2020 quando è stato pubblicato il connettoma per l’emi-cervello del moscerino della frutta (Drosophila melanogaster). 25000 neuroni di oltre 4000 distinte specie. 25000 neuroni che formano più di 20 milioni di connessioni. L’obiettivo di questo progetto era molto chiaro: produrre una risorsa pubblica che qualsiasi scienziato potesse utilizzare per portare avanti il proprio lavoro. Obiettivo del tutto simile al rilascio, venti anni prima, del genoma dello stesso moscerino della frutta che è poi diventato uno strumento fondamentale in biologia. In effetti questi dati del connettoma si sono dimostrati preziosi per fare scoperte sull'apprendimento, sulla memoria e sul comportamento nel moscerino della frutta.

Successive pubblicazioni hanno riguardato porzioni del cervello dell’uccello diamante mandarino e delle larve di Danio rerio, un piccolo pesce di acqua dolce.

Lo stesso principio ha ispirato anche lo studio sul cervello umano: fornire alla comunità scientifica un’enorme mole di dati, trampolino di lancio per nuove ricerche e attesissime scoperte. Ma vediamo come è stato portato avanti.

Un minuscolo frammento di cervello umano sano (1 millimetro cubo, metà di un chicco di riso) è stato prelevato dalla corteccia temporale anteriore sinistra durante un intervento chirurgico. Il paziente era una donna di 45 anni, affetta da epilessia. Il prelievo si è reso necessario per poter raggiungere l’area sottostante di una lesione dell’ippocampo obiettivo dell'intervento.
Il lobo temporale del cervello è coinvolto principalmente nell’elaborazione dei segnali sensoriali.
Il campione è stato immerso in conservanti e colorato con metalli pesanti per rendere le cellule più facili da vedere. Il neuroscienziato Jeff Lichtman dell'Università di Harvard e i suoi colleghi hanno poi tagliato il campione in circa 5.000 fette, ciascuna di 34 nanometri di spessore, lo spessore ideale per essere osservate con un microscopio elettronico a scansione multiraggio.

L’osservazione di queste fettine, che ha richiesto 326 giorni, ha generato una quantità impressionante di dati (1,4 petabyte cioè 1,4 milioni di gigabyte!). E qui entra in gioco l’intelligenza artificiale che proprio sull’analisi di un numero enorme di dati trova il suo terreno più fertile di applicazione e tutti gli strumenti complessi e sofisticati messi a disposizione da Google.  Il team di Google ha unito e allineato i dati delle immagini, ricostruito la struttura tridimensionale di ciascuna cellula, compresi assoni e dendriti, identificato connessioni sinaptiche e classificato tipi di cellule. La ricostruzione del millimetro cubo di cervello, un milionesimo dell’intero organo, ha rivelato diverse sorprese.
Intanto diamo qualche numero: 57.000 cellule (di cui 16000 neuroni, 32000 cellule gliali 8000 cellule dei vasi sanguigni), 150 milioni di sinapsi,

Risultati ottenuti con riferimento alle immagini

Le immagini ottenute da questa ricerca sono a dir poco sbalorditive!

• Un viaggio attraverso gli strati del cervello.
  Questa prima immagine  evidenzia i sei strati della corteccia cerebrale perché i neuroni sono stati colorati in base alla loro dimensione e tipologia. La superficie del cervello corrisponde al bordo superiore dell’immagine.

• Un mare di sinapsi.
  Un singolo neurone (bianco) è circondato da migliaia di assoni (colorati in blu - se ne contano circa 5000) e sinapsi (verdi), a dimostrazione dell'intricata rete di comunicazione nel cervello.

• Vortici di assoni.
  Strutture misteriose e affascinanti, chiamate "vortici di assoni", sono state osservate per la prima volta, aprendo nuove domande sulla loro funzione. Gli assoni sono una parte delle diramazioni del neurone, per la precisione quelle che trasportano i segnali in direzione centripeta rispetto al pirenoforo. In questa immagine sono colorati in blu.  Questi mucchi di assoni ad anello sono rari nel campione e in alcuni casi si trovavano sulla superficie di un'altra cellula, colorata in giallo.

• Networking cerebrale.
  L’immagine mostra le connessioni eccitatorie (verdi) e inibitorie (blu) di un neurone(bianco), rivelando l'incredibile quantità di "chiacchiere" che avvengono nel nostro cervello.

Speriamo che queste immagini spettacolari del cervello umano aprano nuove strade per la comprensione delle malattie neurologiche e del funzionamento della mente.
Nel frattempo tutta questa mole di dati è a disposizione della comunità scientifica. La primissima operazione da fare è controllarla manualmente perché nell’unione delle immagini potrebbero essere stati fatti degli errori. Alcuni sono già stati individuati.
Prima di chiudere l’argomento per obiettività rimando ad un link che pone alcuni dubbi su questi sforzi enormi di mappatura del cervello.