Mappe cerebrali: nuove tecnologie e IA per decifrare il cervello umano

Grazie a sofisticate tecniche di microscopia e intelligenza artificiale, neuroscienziati di Harvard hanno creato mappe cerebrali dettagliate, aprendo nuove frontiere nella ricerca sulle funzioni cognitive e sui disturbi neurologici. Vediamo di cosa si tratta e che impatto avranno.

Introduzione alla complessità del cervello umano

Nel mondo animale, il cervello umano è l’organo che ci rende unici. Si stima, con una certa approssimazione, che il cervello adulto di un essere umano contenga 90 miliardi di neuroni, con un numero approssimativamente uguale di cellule non neuronali. Per fare un paragone, questo numero è circa un terzo di tutte le stelle presenti nella nostra galassia.

Ancora più interessante è il fatto che questi neuroni non sono isolati, ma sono interconnessi tra loro da un numero sbalorditivo di sinapsi, che si stima siano circa 100 trilioni. È proprio questa complessa rete di connessioni che permette al nostro cervello di svolgere tutte le sue straordinarie funzioni, come il pensiero, la memoria, l’apprendimento, le emozioni e il movimento.

Purtroppo, sappiamo ancora poco di come i collegamenti sinaptici influenzano il funzionamento del cervello.

I primi studi e la colorazione di Golgi

Storicamente i primi tentativi per capire le interazioni tra le cellule del sistema nervoso centrale hanno visto come protagonista il neuroanatomista spagnolo Golgi. La colorazione di Golgi, che ha preso il suo nome, sviluppata alla fine del XIX secolo, ha offerto una visione unica della complessa morfologia dei singoli neuroni in campioni di tessuto del sistema nervoso centrale (Fig.1).

Fig. 1 Neurone del sistema nervoso centrale evidenziato con la metodica di Golgi

Questa tecnica impregna selettivamente un piccolo sottoinsieme di neuroni, consentendo una dettagliata visualizzazione dell’intero albero delle cellule neuronali, con le sue intricate ramificazioni che ricevono segnali da altri neuroni. La colorazione di Golgi, affinata con l’uso di marcatori fluorescenti e integrata con sofisticate tecniche di analisi delle immagini, ha consentito negli anni di migliorare notevolmente la nostra comprensione delle reti neurali, offrendo uno strumento fondamentale per dissezionare la complessità del cervello, dando un impulso straordinario allo studio della connettomica.

La connettomica e le sue sfide

La connettomica è una branca delle neuroscienze che si occupa di mappare e studiare le connessioni tra le diverse cellule del sistema nervoso. Il cervello è visto come una gigantesca rete di neuroni interconnessi: la connettomica cerca di capire come sono organizzate queste connessioni, quali circuiti formano e come queste connessioni influenzano il nostro comportamento, le nostre emozioni e le nostre capacità cognitive.

Un recente studio condotto da neuroscienziati di Harvard ha segnato una svolta nella comprensione dei circuiti neurali. Grazie a innovative tecniche di analisi tissutale, è stato possibile visualizzare, con una precisione senza precedenti, reti neurali su larga scala, permettendo di studiare la connettività a livello di singolo neurone e sinapsi all’interno di volumi contenenti migliaia di cellule.

Nuove tecnologie per la mappatura cerebrale

Questo lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Science dal gruppo del Prof. Litchman.

Lo stesso gruppo di scienziati, diversi anni prima, aveva sviluppato la tecnica ‘brainbow’, una metodologia innovativa che permetteva di identificare singolarmente i neuroni all’interno della complessa rete cerebrale. Grazie all’espressione di un mix di proteine fluorescenti in animali geneticamente modificati, ogni neurone assumeva una tonalità di colore unica, facilitando notevolmente lo studio delle connessioni neurali (Fig. 2).

Fig.2 Cellule neuronali marcate con un mix di proteine fluorescenti

Il recente studio è un notevole passo avanti nella definizione dell’intricata rete di connessioni del sistema nervoso centrale. I neuroscienziati hanno suddiviso in 5000 sezioni un minuscolo campione di corteccia umana mediante l’utilizzo della microscopia elettronica, una tecnica ad alta risoluzione che impiega un fascio di elettroni per analizzare campioni biologici, consentendo di visualizzare strutture nanoscopiche come le singole sinapsi.

Collaborazione con IA e Google

I ricercatori hanno generato 1.4 petabyte di dati analizzando un millimetro cubo di corteccia temporale ottenuta dopo resezione di una parte di cervello in un paziente affetto da epilessia farmaco resistente (Fig.3).

Fig.3 Rappresentazione grafica delle fasi del processo.

Questa nuova tecnica di acquisizione insieme a un’analisi mediante intelligenza artificiale, in collaborazione con un team di Google, è stata in grado di analizzare e riassemblare le sezioni generando un atlante digitale con risoluzione nanometrica (Fig.4).

Fig.4 Immagini ad alta risoluzione ottenute mediante microscopia elettronica e predizione mediante intelligenza artificiale

Il gruppo di Google per riuscire a predire e quantificare i dettagli cellulari acquisiti, ha applicato reti neurali convoluzionali (CNN), tecniche di computing che stanno emergendo come strumenti rivoluzionari nell’analisi e nella predizione delle cellule del sistema nervoso centrale. La loro capacità di estrarre caratteristiche complesse da immagini ad alta risoluzione le rende ideali per lo studio della morfologia, della fisiologia e del comportamento delle cellule cerebrali.

Implicazioni future

Le CNN sono un tipo di rete neurale artificiale ispirate al sistema visivo umano. Sono particolarmente abili nel riconoscere modelli e caratteristiche spaziali, rendendole utili per l’analisi di immagini biomediche, come quelle ottenute da microscopia ottica o elettronica. Le CNN possono essere utilizzate per segmentare e classificare automaticamente le cellule del sistema nervoso centrale in base alla loro forma, dimensione e struttura. Questo permette di studiare la diversità cellulare in diverse regioni del cervello ed in futuro identificare potenziali alterazioni associate a malattie neurologiche.

Grazie a questo approccio multidisciplinare, i ricercatori sono riusciti a ricostruire una porzione di cervello con un dettaglio senza precedenti, identificando circa 57.000 cellule, 230 millimetri di vasi sanguigni e quasi 150 milioni di sinapsi. L’enorme quantità di dati generati (circa 1400 terabyte) ha permesso di creare una mappa tridimensionale estremamente precisa delle connessioni neuronali (Fig.4).

Conclusioni

Questa scoperta rappresenta un passo fondamentale nella ricerca di base, aprendo nuove e inaspettate vie di indagine per comprendere i meccanismi alla base dell’apprendimento, della memoria e della nostra parte emotiva, avvicinandoci sempre di più alla comprensione profonda del nostro cervello e alle sue infinite potenzialità. Grazie a questa risoluzione, potremo anche svelare i meccanismi alla base di funzioni cognitive compromesse e disturbi neurologici, dichiarano gli autori, aprendo la strada a nuove terapie per malattie neurodegenerative e psichiatriche.