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Il mini-cervello che svelerà i segreti dei neuroni

Cervello Six layers of excitatory neurons color-coded by depth. CREDIT Google Research and Lichtman Lab

Un millimetro cubo di tessuto cerebrale sembra qualcosa di trascurabile, ma considerando che un micro-cervello grande come mezzo chicco di riso contiene 57.000 cellule, 230 millimetri di vasi sanguigni e 150 milioni di sinapsi per un totale di 1.400 terabyte di dati, capirete perchè i ricercatori di Harvard e Google Research hanno appena realizzato in 3D un piccolo miracolo della scienza.

“Conosciamo i geni, conosciamo solo in parte le proteine, ma sappiamo ancora poco sulle cellule: come interagiscono tra loro e con l’ambiente? Ci mancano modelli, equazioni, algoritmi e meccanismi che ci permettano di capire le cellule. Tutte le malattie dell’uomo sono conseguenze di una patologia cellulare. Ecco allora perché questo studio è davvero straordinario”, sottolinea a Fortune Italia il genetista Giuseppe Novelli dell’Università di Roma Tor Vergata, commentando il lavoro pubblicato su ‘Science’ che punta a far luce, finalmente, sui segreti del cervello.

Organi in un chip

Memoria, apprendimento, ragionamento, patologie neurologiche. Un team di Harvard guidato da Jeff Lichtman, professore di biologia molecolare e cellulare recentemente nominato preside della facoltà di scienze, ha lavorato in collaborazione con i ricercatori di Google alla più grande ricostruzione in 3D a risoluzione sinaptica di un pezzo di cervello umano mai realizzata fino a oggi. Il risultato mostra in dettaglio ogni cellula e la sua rete di connessioni neurali presenti in un pezzo di corteccia temporale umana grande, appunto, circa la metà di un chicco di riso.

Il gruppo, combinando l’imaging al microscopio elettronico di Lichtman con algoritmi di intelligenza artificiale, è impegnato nella codifica a colori del cervello dei mammiferi. L’obiettivo finale della partnership, supportata dall’iniziativa Brain del National Institutes of Health, è creare una mappa ad alta risoluzione del cablaggio neurale dell’intero cervello di un topo, che comporterebbe circa 1.000 volte la quantità di dati del micro-cervello umano. “Un terabyte è, per la maggior parte delle persone, gigantesco, eppure un frammento di un cervello umano contiene migliaia di terabyte”, dice Lichtman.

La mappa appena pubblicata evidenzia dettagli mai visti prima della struttura del cervello, incluso un raro ma potente insieme di assoni collegati da un massimo di 50 sinapsi. Il team ha anche notato alcune stranezze nel tessuto, come un piccolo numero di assoni che formavano estesi vortici. Poiché il loro campione è stato prelevato da un paziente affetto da epilessia, gli scienziati non sanno ancora se queste formazioni insolite siano patologiche o semplicemente rare.

La connettomica

Lichtman si occupa di “connettomica” che, analogamente alla genomica, cerca di creare cataloghi completi della struttura del cervello. Simili mappe aprirebbero la strada verso nuove conoscenze sulla funzione cerebrale ma anche sulle malattie neurologiche, di cui ancora oggi gli scienziati sanno ancora molto poco.

Risultati possibili grazie alle tecnologie: gli algoritmi di AI di Google consentono la ricostruzione e la mappatura del tessuto cerebrale in tre dimensioni. Il team ha inoltre sviluppato una serie di strumenti che i ricercatori di tutto il mondo possono ora utilizzare per esaminare il connettoma. “Dato l’enorme investimento in questo progetto, era importante presentare i risultati in modo che chiunque altro potesse trarne vantaggio”, ha piegato Viren Jain di Google Research.

Il commento del genetista

“Scoprire che alcuni neuroni si collegano attraverso 50 sinapsi e non tre o quattro come pensavamo è una cosa incredibile – dice Novelli – Le sinapsi competano tra loro e quella più forte vince, viene poi persa. Ma come si formano? Chi decide quale perde e deve essere persa? Come avviene la ‘potatura sinaptica’, una sorta di pulitura di sinapsi in siti considerati non più necessari? Ecco: finalmente sarà possibile rispondere a queste e altre domende dopo questo studio. Un lavoro straordinario, se pensiamo anche che il materiale è disponibile per chiunque voglia esaminarlo, voglia studiarlo oppure utilizzarlo nella propria ricerca. Volta e gira – conclude il genetista – torneremo sempre alla cellula, come diceva Rudolf Virchow nel 1858″.

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