Completata in 10 anni la prima mappatura 3D completa di un frammento di corteccia cerebrale temporale
È un passo avanti apparentemente minuscolo: appena un millimetro (cubo).
Ma quello raggiunto a compimento di un lavoro durato 10 anni da un team di ricercatori dell’Università di Harvard, sfruttando anche le possibilità degli algoritmi di intelligenza artificiale messi a disposizione da Google Research, e pubblicato sulla rivista Science è un risultato assolutamente eccezionale.
Perché, per la prima volta, si è riusciti a ricostruire tridimensionalmente, in laboratorio, la mappatura di un frammento del cervello umano. E arrivare a una mappatura completa permetterebbe di comprendere meglio le funzioni cerebrali e molte malattie di cui si sa ancora molto poco.
Basta poi una riflessione legata semplicemente alle dimensioni dei campioni, sui quali gli studiosi hanno lavorato per un decennio, e su quanto emerso per capire le potenzialità del nostro organo principale.
Le incredibili capacità del nostro cervello
Nella porzione di corteccia cerebrale temporale analizzata, delle dimensioni pari a mezzo chicco di riso, riporta lo studio, ci sono 57 mila cellule, 230 mm di vasi sanguigni e 150 milioni di sinapsi, che garantiscono la possibilità di immagazzinare una quantità gigantesca di dati: 1.400 terabyte.
Per fare un confronto basta pensare all’enfasi data nel mondo scientifico ai risultati conseguiti dagli esperti di optoelettronica dell’Università di Southampton, nel Regno Unito, considerati i massimi esperti del settore delle unità di memoria esterne per computer.
Nel 2016, fu infatti creato un disco in vetro in grado di contenere la fino ad allora inimmaginabile quantità di 360 terabyte di informazioni. Ci sono poi voluti altri 5 anni per arrivare al 2021, quando fu annunciato il raggiungimento di 500 terabyte.
Il professore di biologia molecolare e cellulare Jeff Lichtman, guida del team di Harvard, ha quindi sottolineato come l’uso della parola “frammento”, riferendosi alla quantità di corteccia cerebrale su cui ha potuto lavorare, è assolutamente “ironico”.
“Un terabyte – prosegue Lichtman nella dichiarazione riportata da The Harvard Gazette – è per la maggior parte delle persone gigantesco. Eppure un frammento di cervello umano, solo un minuscolo pezzettino del nostro cervello, può contenere migliaia di terabyte”.
Lo studio e le sue premesse
La corteccia temporale umana è stata studiata al microscopio elettronico, raccogliendo centinaia di milioni di immagini per classificare e quantificare tipi cellulari, vasi e sinapsi, con l’idea che “una comprensione completa del cervello umano inizia con la delucidazione delle sue proprietà strutturali a livello subcellulare”.
“Sebbene le funzioni svolte dalla maggior parte degli organi vitali nell’uomo non siano molto diverse rispetto a quelle degli altri animali – riporta lo studio – quelle svolte dal cervello umano ci separano nettamente dal resto della vita sul pianeta. Tuttavia, mancano conoscenze dettagliate sui circuiti sinaptici alla base del funzionamento del cervello umano”.
Il campione di cervello, esteso attraverso tutti gli strati corticali, era stato ottenuto, durante un intervento chirurgico per accedere a una lesione ippocampale sottostante, da un paziente affetto da epilessia, superando così la barriera dell’accesso al tessuto cerebrale umano di alta qualità.
“Questo lavoro – conclude lo studio – fornisce la prova della fattibilità degli approcci connettomici umani (quelli con cui si cerca di creare un catalogo completo della struttura del cervello, ndr) per visualizzare e, in definitiva, ottenere informazioni su basi fisiche della funzione cerebrale umana normale e disordinata”.
I risultati scientifici
Sono stati quindi ricostruiti migliaia di neuroni, oltre 100 milioni di connessioni sinaptiche e tutti gli altri elementi tissutali che compongono la materia del cervello umano, comprese le cellule gliali, il sistema vascolare sanguigno e la mielina.
Tra i risultati inediti, sono state trovate “una classe precedentemente non riconosciuta di neuroni orientati direzionalmente negli strati profondi” e “connessioni multisinaptiche molto potenti e rare tra i neuroni in tutto il campione”.
La mappa di un frammento, moltissime informazioni
La mappa contiene dettagli mai visti prima della struttura del cervello.
Tra questi, un “raro ma potente insieme di assoni (i prolungamenti principali della cellula nervosa che conducono gli impulsi nervosi dal corpo cellulare verso la periferia, ndr) collegati da un massimo di 50 sinapsi”.
È risultato ancora che la glia, cioè il tessuto fondamentale di sostegno dell’encefalo e del midollo spinale, supera i neuroni in un rapporto 2:1; che gli oligodendrociti, cioè le cellule della glia, sono le cellule comuni; che i neuroni eccitatori dello strato profondo possono essere classificati sulla base dell’orientamento dendritico.
Infine, lo studio ha mostrato che, tra migliaia di connessioni deboli a ciascun neurone, esistono “rari e potenti input assonali fino a 50 sinapsi”. Tra le stranezze notate nel tessuto, invece, un piccolo gruppo di assoni che formavano estesi vortici, anche se non si sa ancora se si tratta di una rarità o di una patologia legata all’epilessia.
Gli sviluppi futuri
I ricercatori di Harvard hanno sviluppato anche uno strumento disponibile gratuitamente per analizzare i dati, raccolti e presentati in modo che ne sia garantita la massima fruibilità per il vantaggio generale, ai fini dell’esame del connettoma, cioè la mappa comprensiva delle connessioni neurali nel cervello.
L’obiettivo finale della collaborazione tra Università di Harvard e Google Research, che ha il supporto dell’iniziativa “Brain” del National Institutes of Health, è quello di arrivare alla creazione di una mappa ad alta risoluzione del cablaggio neurale dell’intero cervello di un topo.
Il primo prossimo passaggio sarà così lo studio della formazione dell’ippocampo (del topo), che gioca un ruolo fondamentale nella memoria e nelle malattie neurologiche, costituendo così un aspetto decisivo per chi si occupa di neuroscienze.
Alberto Minazzi
