Un team congiunto di ricercatori di Google e neuroscienziati di Harvard si è unito per creare una visione senza precedenti del cervello umano, che potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere i disturbi neurologici e a rispondere a domande fondamentali su come funziona il cervello.
Ad una visione superficiale questa immagine potrebbe sembrare un prato fiorito, a qualcun altro potrebbe ricordare una danza di colori del pittore statunitense Pollock. È davvero un’opera d’arte: si tratta di un millimetro cubo di cervello umano ingrandito all’inverosimile in cui si vedono neuroni strettamente affollati. Un volume grande quanto mezzo chicco di riso: provate ad immaginarlo!
La mappa 3D copre un milionesimo di un cervello intero e contiene circa 57.000 cellule e 150 milioni di sinapsi, le connessioni tra i neuroni. Codificare solo questo piccolo campione richiede più di un milione di gigabyte di dati: 1,4 petabyte, «una complessità immensa», dice Viren Jain, neuroscienziato di Google a Mountain View, California, e coautore dello studio.
Fette di cervello
Il frammento di cervello è stato prelevato da una donna di 45 anni durante un intervento chirurgico per trattare la sua epilessia. Proviene dalla corteccia, una parte del cervello coinvolta nell’apprendimento, nel problem solving e nel processamento 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 a Cambridge, Massachusetts, e i suoi colleghi hanno tagliato il campione in circa 5.000 fette, ciascuna spessa solo 34 nanometri, che sono state poi osservate al microscopio elettronico.
Il ruolo dell’IA
Il team di Jain ha costruito modelli di intelligenza artificiale (IA) in grado di unire insieme le immagini al microscopio per ricostruire l’intero campione in 3D.
Una delle modalità in cui l’IA può essere utilizzata è per aiutare i ricercatori a dare un senso a enormi quantità di dati, compresi quelli nella scienza e nella medicina.
Unendo l’imaging cerebrale con l’elaborazione e l’analisi delle immagini basate sull’IA, i team di Google e Harvard hanno ricostruito quasi ogni cellula e tutte le sue connessioni all’interno di un piccolo volume di tessuto cerebrale umano.
«Ricordo questo momento: entrare nella mappa e guardare una singola sinapsi del cervello di questa donna, e poi zoomare su altri milioni di pixel», rivela Jain. «Mi è sembrato quasi spirituale.»
Credit: Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Renderings by D. Berger (Harvard University)
Una scoperta curiosa: ecco cosa hanno trovato
Esaminando il modello nel dettaglio, i ricercatori hanno scoperto neuroni non convenzionali, inclusi alcuni che stabilivano fino a 50 connessioni l’uno con l’altro, mentre in generale si trovano al massimo un paio di connessioni.
Una scoperta sorprendente di questa ricerca è stata la presenza di “vortici di assoni”. Gli assoni (blu in figura) sono la parte filamentosa di una cellula nervosa che porta un segnale lontano dalla cellula. Questi ammassi di assoni a forma di anello erano rari nel campione e in alcuni casi si trovavano sulla superficie di un’altra cellula (gialla). La loro funzione è sconosciuta.
Il team ha anche trovato coppie di neuroni che erano immagini speculari quasi perfette l’uno dell’altro. «Abbiamo trovato due gruppi che inviavano i loro dendriti (prolungamenti del corpo cellulare del neurone) in due direzioni diverse, e a volte c’era una sorta di simmetria speculare», dice Jain. Non è chiaro quale ruolo abbiano queste caratteristiche nel cervello.
La mappa del cervello
La mappa è così grande che la maggior parte di essa deve ancora essere controllata e potrebbe contenere errori creati dal processo di unione di così tante immagini. «Centinaia di cellule sono state corrette, ma ovviamente si tratta di una piccola percentuale rispetto alle 50.000 cellule presenti», afferma Jain. Il team prevede di produrre mappe simili di campioni cerebrali provenienti da altre persone, ma ottenere una mappa dell’intero cervello è improbabile nei prossimi decenni.
Questa mappa fornisce dettagli senza precedenti che possono svelare nuove regole di connessioni neurali e consentire una comprensione più profonda di come funziona la corteccia. Gli scienziati credono che, continuando la ricerca, un giorno sarà possibile comprendere cosa porta a disturbi neurologici e malattie come l’autismo e l’Alzheimer.
- Fonti:
https://blog.google/technology/research/google-ai-research-new-images-human-brain/
Federica Avagliano 
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