Da un minuscolo campione di tessuto cerebrale, non più grande di un granello di sabbia, abbiamo costruito la mappa funzionale più dettagliata di sempre del cervello di un mammifero. A riuscire nell’impresa sono stati oltre 150 neuroscienziati e ricercatori provenienti dall’Allen Institute, Princeton, Harvard, Baylor College of Medicine, Stanford e da molti altri centri di ricerca, che negli ultimi anni hanno preso parte al progetto Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS). I risultati, raccolti in 10 studi pubblicati in un numero speciale della rivista Nature, non solo rappresentano un passo in avanti nella comprensione delle origini della coscienza, del pensiero, dei ricordi e delle emozioni, ma possono fornirci nuove opportunità di studio per alcune malattie, come l’Alzheimer, il Parkinson, i disturbi dello spettro autistico e la schizofrenia.
L’impresa epocale
Per costruire la mappa funzionale, o meglio della struttura e della funzione neurale, più dettagliata di una porzione del cervello di un mammifero, il team di ricerca del Baylor College of Medicine ha iniziato utilizzando microscopi specializzati per registrare l’attività cerebrale di un millimetro cubo della corteccia visiva di un topo mentre guardava brevi filmati. Successivamente, i ricercatori dell’Allen Institute hanno sezionato lo stesso campione in oltre 25 mila strati (ciascuno largo 1/400 di un capello umano) a cui hanno scattato immagini ad alta risoluzione con una serie di microscopi elettronici. Infine, il team di ricerca della Princeton University ha utilizzato l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico per ricostruire, tramite il processo di segmentazione, le cellule e le connessioni in 3D. Il tutto è stato poi combinato con le registrazioni dell’attività cerebrale, per un risultato senza precedenti. Sebbene, infatti, la mappa funzionale copra appena lo 0,2% del cervello dell’animale, “abbiamo creato la prima piattaforma per studiare la relazione tra struttura e funzione neurale alle scale necessarie per comprendere l’intelligenza”, ha spiegato David A. Markowitz, ex responsabile del programma Iarpa (Intelligence Advanced Research Projects Activity) che ha coordinato gli studi.
La mappa funzionale
L’enorme mole di dati, con una dimensione complessiva di 1,6 petabyte, paragonabili a 22 anni di video in alta definizione, ha permesso di mettere a punto una mappa funzionale 3D ad alta risoluzione del cervello che comprende oltre 200 mila cellule, di cui circa 82 mila neuroni, ben 4 chilometri di assoni e 523 milioni di sinapsi. “All’interno di quel minuscolo granello si cela un’intera architettura”, ha affermato Clay Reid, dell’Allen Institute. “In questa ricostruzione possiamo testare le vecchie teorie e sperare di scoprire cose nuove che nessuno ha mai visto prima”. “Questo è il futuro sotto molti aspetti”, ha aggiunto Andreas Tolias, ricercatore alla Stanford University. “La particolarità di questi dati è che hanno riunito, in un unico esperimento, sia la struttura che la funzione. MICrONS rappresenterà un punto di riferimento per la creazione di modelli fondamentali del cervello che abbracciano molti livelli di analisi, a partire dal livello comportamentale fino al livello rappresentativo dell’attività neurale e persino al livello molecolare”.
Nuove strade nel mondo della neuroscienza
Una delle scoperte più interessanti è relativa a un nuovo principio di inibizione nel cervello. Prima, infatti, pensavamo che le cellule inibitorie, che sopprimono l’attività neurale, agissero casualmente, smorzando l’azione di altre cellule. Dalla mappa funzionale, invece, è emerso un livello di comunicazione molto più sofisticato: le cellule inibitorie sono altamente selettive riguardo alle cellule eccitatorie che prendono di mira, creando un sistema di coordinamento. “Fare questo tipo di ricerca su larga scala, in team, richiede molta cooperazione”, ha concluso Forrest Collman, dell’Allen Institute. “Richiede di sognare in grande e di accettare di affrontare problemi che non sono palesemente risolvibili, ed è così che nascono i progressi”. Sebbene siamo solo all’inizio, una mappa funzionale così dettagliata ha il potenziale per accelerare le scoperte in tutto il campo delle neuroscienze, consentendo agli scienziati di basare i loro studi funzionali e comportamentali sulla realtà fisica dei circuiti neurali.
Fonte : Wired
