Immagina di fissare la complessa e bellissima mappa di un’intera città, ma la città è in realtà un cervello. Sembra fantastico, vero? Ebbene, gli scienziati ora lo hanno reso realtà.
Gli esperti hanno creato il primo diagramma elettrico in assoluto, o “rete neurale”, di ogni neurone nel cervello di un adulto, nonché i 50 milioni di connessioni tra loro, segnando una pietra miliare nel campo delle neuroscienze.
Schema completo del cablaggio del cervello
Questo progetto è stato reso possibile grazie al Consorzio FlyWire, una vasta collaborazione internazionale che coinvolge scienziati di tutto il mondo Laboratorio MRC di Biologia Molecolare A Cambridge, all’Università di Princeton, all’Università del Vermont e all’Università di Princeton Università di Cambridge.
Ricerca pubblicata in un paio di articoli su una rivista naturaFornisce il primo diagramma completo della connettività di tutti i 139.255 neuroni nel cervello di una mosca adulta, un animale capace di camminare e vedere.
Precedenti studi hanno mappato sistemi cerebrali più piccoli, come la larva del moscerino della frutta, che contiene 3.016 neuroni, o il verme nematode, che contiene 302 neuroni.
Tuttavia, lo studio attuale apre nuove strade fornendo una mappa neurale su vasta scala di un organismo più complesso.
Cervelli umani contro cervelli di mosche
La mappatura di ogni neurone nel cervello adulto del moscerino della frutta è un passo fondamentale per comprendere come funziona il cervello, compreso il nostro.
Il moscerino della frutta ha circa 140.000 neuroni, un numero esiguo rispetto agli 86 miliardi di neuroni del cervello umano, il che lo rende molto più facile da studiare.
Gli scienziati possono allevare e modificare rapidamente i moscerini della frutta, consentendo loro di manipolare la genetica e vedere come i cambiamenti influenzano i circuiti neurali e il comportamento.
Questa semplicità aiuta i ricercatori a scoprire i principi di base della funzione cerebrale senza impantanarsi in troppa complessità.
Le mappe cerebrali forniscono informazioni sul cervello umano
È interessante notare che molti processi biologici nei moscerini della frutta sono molto simili a quelli degli esseri umani. I geni e i percorsi che controllano lo sviluppo del cervello, le connessioni neuronali e l’apprendimento sono spesso conservati in tutte le specie.
Mappando il cervello del moscerino della frutta, gli scienziati possono imparare come funzionano questi processi in un sistema più semplice e quindi applicare tali informazioni a cervelli più complessi.
Inoltre, la comprensione di come comunicano i neuroni nelle mosche rivela modelli generali di organizzazione e comportamento dei circuiti neurali, che possono aiutarci a comprendere anche i comportamenti umani e le funzioni cognitive.
Infine, gli strumenti e le tecniche sviluppati per mappare il cervello della Drosophila hanno aperto la strada a progressi nella ricerca neuroscientifica. Le innovazioni nell’imaging, nella manipolazione genetica e nell’analisi dei dati derivanti dagli studi sulla Drosophila possono essere adattate per studiare cervelli più complessi, compreso il nostro.
Le informazioni ricavate dai moscerini della frutta potrebbero anche aiutare a modellare le malattie neurologiche e i disturbi dello sviluppo, portando a potenziali trattamenti per gli esseri umani.
Ricerche in corso nel campo delle neuroscienze
I risultati forniscono preziose informazioni sulla struttura e sulla funzione del cervello, fornendo un confronto vitale con la ricerca in corso nel campo delle neuroscienze.
“Se vogliamo capire come funziona il cervello, abbiamo bisogno di una comprensione meccanicistica di come tutti i neuroni si incastrano e permettono di pensare. Per la maggior parte dei cervelli, non abbiamo idea di come funzionino queste reti.
Una mappa dettagliata del cervello della mosca potrebbe rispondere a molte di queste domande e rivelare le complessità dei circuiti neurali.
Somiglianze nel cablaggio cerebrale
Uno dei risultati più notevoli dello studio è la forte somiglianza nelle connessioni trovate tra la mappa attuale e gli sforzi precedenti, su scala minore.
Ciò ha portato alla conclusione che i cervelli individuali condividono somiglianze intrinseche nel loro cablaggio, contrariamente alla convinzione che ogni cervello sia una struttura unica.
Un viaggio di mappatura del cervello
Il percorso verso questa impresa prevedeva il taglio dell’intero cervello di una mosca, largo meno di un millimetro, in 7.000 fette sottili.
Queste fette sono state poi attentamente esaminate utilizzando un microscopio elettronico ad alta risoluzione per estrarre le forme di circa 140.000 neuroni e le 50 milioni di connessioni tra loro.
Il potere dell’intelligenza artificiale
Il compito di analizzare questa enorme quantità di dati è reso possibile utilizzando l’apprendimento automatico, dimostrando il potenziale della tecnologia AI di rivoluzionare le neuroscienze.
Garantire l’accuratezza dei dati richiede circa 33 anni di lavoro di correzione di bozze. Nonostante le sfide, i risultati di questo rigoroso impegno hanno aperto la strada a future scoperte nel campo delle neuroscienze.
Oltre a stabilire semplicemente le connessioni neurali, i ricercatori hanno anche tenuto conto di molti dettagli dello schema elettrico, come la classificazione di oltre 8.000 tipi di cellule nel cervello.
“Questo set di dati è un po’ come Google Maps, ma per il cervello: il diagramma iniziale di connettività tra i neuroni è come sapere quali strutture sulle immagini satellitari della Terra corrispondono a quali strade ed edifici”, ha spiegato il dottor Philipp Schlegel, primo autore di uno dei gli studi. studi.
Simulazione delle funzioni cerebrali
Il lavoro dei ricercatori va oltre la semplice mappatura. Hanno anche utilizzato la tecnologia di scansione delle immagini basata sull’intelligenza artificiale per prevedere se ciascuna sinapsi fosse inibitoria o eccitatoria, un aspetto importante della simulazione digitale del cervello.
“Utilizzando i nostri dati, che sono stati condivisi online mentre lavoravamo, altri scienziati hanno già iniziato a provare a imitare il modo in cui il cervello della mosca risponde al mondo esterno”, ha detto il dottor Jeffress.
“Questo è un inizio importante, ma dovremo raccogliere molti tipi diversi di dati per produrre una simulazione affidabile di come funziona il cervello”.
Direzioni future della ricerca
Questa ricerca ha senza dubbio rivoluzionato la nostra comprensione del cervello, ma il viaggio è lungi dall’essere finito. Man mano che andremo avanti, gli studi futuri esploreranno le differenze nell’architettura neurale tra il cervello delle mosche maschi e quelle femmine.
“La completezza del nostro schema elettrico presenta grandi vantaggi per la ricerca sul cervello e consente molti tipi di studi che in precedenza non erano possibili utilizzando schemi elettrici di parti del cervello della mosca”, hanno osservato i ricercatori.
Lo studio è pubblicato sulla rivista natura.
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