Nel cervello di un singolo moscerino della frutta, le cellule nervose si intrecciano insieme, consentendo il volo, l’accoppiamento, il mangiare, il sonno e ogni altra attività della sua vita di mosca. Ora, in nove articoli pubblicati il 2 ottobre su Nature, gli scienziati riportano la prima mappa completa delle sue cellule nervose – tutte e 139.255, per l’esattezza – e le loro 54,5 milioni di connessioni.
Questa mappa dell’intero cervello, tracciata nel corso degli anni con precisione certosina, è minuscola ma squisita: contiene 149,2 metri di cavi neurali, tutti ordinatamente impacchettati in un cervello delle dimensioni di un seme di papavero. In quanto tale, questa mappa mostra come le informazioni neurali potrebbero fluire tra le cellule di Drosophila melanogaster, un animale più semplice di un essere umano ma abbastanza complesso da rimanere misterioso per le persone che cercano di capire il suo cervello.
“Questo lavoro è assolutamente affascinante”, afferma il neuroscienziato Olaf Sporns dell’Università dell’Indiana a Bloomington. Nel 2005, lui e i suoi colleghi hanno coniato il termine “connettoma“, una contabilità delle connessioni tra le cellule nervose, o neuroni (SN: 2/7/14). Nei quasi 20 anni trascorsi da allora, gli scienziati hanno mappato più connettomi, tra cui quelli di vermi maschi ed ermafroditi di C. elegans, un moscerino larvale della frutta, piccoli frammenti di cervelli di topo e umani e parte del cervello di un moscerino della frutta adulto (SN: 3/9/23; SN: 8/7/19; SN: 23/5/24). Quest’ultimo connettoma del moscerino della frutta è il più grande del suo genere.
“Quando la connettomica è iniziata, la creazione di una mappa come quella presentata in questo lavoro sembrava quasi fantascienza”, afferma Sporns. “E ora, sorprendentemente, eccolo qui”.
Il progetto ha coinvolto immagini al microscopio elettronico di oltre 7.000 fette sottili del cervello di un moscerino della frutta femmina e l’apprendimento automatico che ha allineato i complessi viticci dei neuroni, tracciando le cellule attraverso diverse fette. L’apprendimento automatico ha portato i ricercatori a breve distanza dall’intero connettoma. “Ma gli esseri umani sono ancora tenuti a correggere gli errori”, afferma Sven Dorkenwald, un neuroscienziato computazionale che ha lavorato al progetto presso l’Università di Princeton e che ora è all’Allen Institute for Brain Science e all’Università di Washington a Seattle. Centinaia di persone provenienti da più di 50 laboratori hanno corretto la mappa con occhi umani, assicurandosi che le forme delle cellule fossero come sembravano. È stato un grande lavoro, dall’inizio alla fine.
“Pensavamo che ci sarebbe voluto così tanto tempo, tipo, quasi 20 anni dopo avremmo avuto il connettoma delle mosche? Probabilmente no”, afferma Sebastian Seung, neuroscienziato computazionale dell’Università di Princeton. “Ma le persone troppo ottimiste guidano il progresso”.
All’inizio, lavorare su una mappa del connettoma “era una cosa contraria da fare”, dice Seung. “La maggior parte delle persone pensava che fosse pazzesco. C’erano due obiezioni. Uno è che non è possibile, e il secondo è che anche se si avesse successo, i dati sarebbero inutili”.
Ma i dati hanno già dimostrato la loro utilità, rivelando dettagli cellulari e succosi indizi su come funziona il cervello. Ad esempio, ci sono solo due neuroni CT1 nell’intero cervello del moscerino, ognuno dei quali è coinvolto nel rilevamento dei cambiamenti nella luce e nel movimento. Ogni neurone si estende su un intero occhio e produce un numero enorme di sinapsi: più di 148.000, mostra la mappa.
Un’altra analisi ha suddiviso alcuni neuroni in classi chiamate “integratori”, che ricevono un numero enorme di messaggi da altre cellule, o “emittenti”, che inviano segnali a un vasto pubblico. Queste celle megafoniche potrebbero aiutare i segnali a diffondersi, ma in modi selettivi.
E con il connettoma ora mappato, gli scienziati hanno iniziato a costruire modelli computerizzati di come le informazioni fluiscono nel cervello. “Si inizia con le connessioni tra i neuroni e le si usa per costruire una simulazione di una rete”, dice Seung. “È un approccio del tutto ovvio, ma non potresti farlo se non avessi il connettoma”.
Un nuovo studio, ad esempio, mostra come i neuroni del gusto possono attivare altre cellule a valle. E questo è solo l’inizio, dice Seung. “La mia battuta per gli appassionati di fantascienza è che una mosca ha dovuto essere sacrificata per questo esperimento, ma questa mosca potrebbe vivere per sempre nella simulazione”.
Sporns guarda anche al futuro: “Prevedo un futuro in cui le mappe dei connettomi diventeranno ancora più complete e dettagliate, includendo presto cervelli di vertebrati come topi e umani”, dice. Queste mappe aiuteranno a rispondere a grandi domande sui connettomi cerebrali: se sono variabili tra gli individui, se cambiano nel tempo e se possono aiutare a prevedere i comportamenti.
Citazioni
S. Dorkenwald et al. Schema elettrico neuronale di un cervello adulto. Natura. 2 ottobre 2024. DOI: 10.1038/S41586-024-07558-Y.
P. Schlegel et al. Annotazione dell’intero cervello e tipizzazione cellulare multi-connettoma di Drosophila. Natura. 2 ottobre 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07686-5.
Raccolta completa di articoli sul connettoma di Drosophila pubblicati il 2 ottobre 2024 su Nature.