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Uno schema elettrico del cervello
Le nuove tecnologie che consentono agli scienziati di tracciare il sottile cablaggio del cervello in modo più accurato che mai potrebbero presto generare uno schema elettrico completo, che includa ogni minuscola fibra e connessione minuscola, di un pezzo di cervello. Chiamate connettomica, queste mappe potrebbero scoprire come le reti neurali svolgono le loro precise funzioni nel cervello e potrebbero far luce su disturbi che si pensa derivino da cablaggi difettosi, come l'autismo e la schizofrenia.
Analizzando gli assoni: Gli scienziati stanno sviluppando nuovi modi per studiare l'intricata rete di neuroni nel cervello. Questa immagine mostra una ricostruzione parziale della retina di coniglio. Le proiezioni neurali, che collegano neurone a neurone, sono etichettate in diversi colori.
Il cervello è essenzialmente un computer che si collega durante lo sviluppo e può ricablarsi da solo, dice Seung Seung , neuroscienziato computazionale al MIT. Se abbiamo uno schema elettrico del cervello, questo potrebbe aiutarci a capire come funziona. Ad esempio, gli scienziati hanno precedentemente identificato la parte del cervello dell'uccello canoro che è importante per la capacità degli uccelli di generare canzoni. Seung vorrebbe infine sviluppare uno schema elettrico di questa struttura per chiarire le caratteristiche alla base della sua capacità unica.
Attualmente esiste un solo schema elettrico di un organismo: quello del verme microscopico C. elegans . Nonostante contenga solo 302 neuroni, il C. elegans lo sforzo di mappatura ha richiesto più di un decennio per essere completato, negli anni '70. È stata una risorsa di ricerca inestimabile e ha valso ai suoi creatori un premio Nobel.
Con una stima di 100 miliardi di neuroni e 100 trilioni di sinapsi nel cervello umano, creare una mappa onnicomprensiva anche di un piccolo pezzo è un compito arduo. Utilizzando metodi standard, ci vorrebbero circa tre miliardi di anni-persona per generare lo schema elettrico di una singola colonna corticale, una stretta unità funzionale di neuroni nella corteccia, secondo le stime. Winfried Denk , neuroscienziato presso il Max Planck Institute for Medical Research di Heidelberg, in Germania.
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Guarda una ricostruzione 3-D di un pezzo di retina di coniglio.
Denk, Seung e i loro collaboratori stanno ora sviluppando nuove tecniche di imaging sensibili e algoritmi di apprendimento automatico per automatizzare il processo di costruzione. Hanno già generato uno schema elettrico parziale di parte della retina del coniglio. Ma dovranno rendere la loro tecnica un milione di volte più veloce per portare finalmente mappe più grandi, come quella di una colonna corticale, nel regno della realtà.
I precedenti sforzi per mappare il cablaggio del cervello si sono concentrati su caratteristiche anatomiche più grandi, come gli spessi tratti di cablaggio che collegano diverse parti del cervello, o sui percorsi dei singoli neuroni, colorati con un colore particolare per distinguerli dalla loro moltitudine aggrovigliata di vicinato. Ma per capire veramente come una rete di neuroni può svolgere una particolare funzione, gli scienziati hanno bisogno di un nuovo tipo di mappa. Molte proprietà della funzione cerebrale sono a livello del circuito: le informazioni vengono integrate, elaborate, estratte, afferma Elly Nedivi , un neuroscienziato del MIT che non è coinvolto nella ricerca. Per capire cosa significa, devi essere in grado di vedere chi si connette a chi.
Denk e i suoi colleghi hanno sviluppato una nuova tecnica per creare mappe di cablaggio in scala più fine utilizzando la microscopia elettronica. Partendo da un piccolo blocco di tessuto cerebrale, i ricercatori fanno rimbalzare gli elettroni sulla parte superiore del blocco per generare un'immagine in sezione trasversale delle fibre nervose in quella fetta. Quindi prendono una fetta molto sottile di 30 nanometri dalla parte superiore del blocco e ripetono il processo. Gli scienziati esaminano le immagini fetta per fetta per tracciare il percorso di ciascuna fibra nervosa. Ripeti questo [processo] migliaia di volte e puoi farti strada forse attraverso l'intero cervello della mosca, dice Denk.
Seung e Denk mirano ad accelerare notevolmente il processo di tracciamento, che richiede settimane per il completamento di un singolo studente laureato, con algoritmi automatizzati di apprendimento automatico. I ricercatori utilizzano i dati di uno schema elettrico generato manualmente per addestrare una rete neurale artificiale per emulare il processo di tracciamento umano. Possono quindi utilizzare l'algoritmo risultante per analizzare nuovi pezzi di tessuto cerebrale. Ad oggi, sono stati in grado di accelerare il processo da cento a mille volte.
I ricercatori hanno presentato i loro risultati iniziali a una folla intimorita al Società per le neuroscienze incontro a San Diego all'inizio di questo mese. Hanno mostrato la ricostruzione tridimensionale di una parte della retina del coniglio chiamata strato plessiforme interno, che è un pezzo di tessuto neurale nella parte posteriore dell'occhio che rileva la luce e invia informazioni visive al cervello. (Guarda un filmato della ricostruzione qui.) Ma abbiamo bisogno di migliorare di 106 volte o più, dice Denk, che stima che questo ridurrebbe i tre miliardi di anni persona necessari per tracciare una colonna corticale fino a circa due anni. Sono fiducioso che alla fine ce la faremo, dice. Ma non so quanto tempo ci vorrà, se siamo fortunati, forse un anno o giù di lì.
All'inizio di questo mese, gli scienziati di Harvard hanno descritto un nuovo metodo per tracciare i neuroni nel cervello vivente etichettandoli con un massimo di cento colori diversi. (Vedi The Technicolor Brain .) Stiamo iniziando a pensare che gli schemi elettrici siano fondamentali, dice Jeff Lichtman, uno dei ricercatori che ha sviluppato la tecnica.
I ricercatori affermano che i due approcci saranno probabilmente complementari, consentendo agli scienziati di esaminare circuiti neurali di diverse dimensioni. Alla fine, Seung mira a generare mappe del connettoma completo della mosca, nonché schemi elettrici parziali di posizioni interessanti in cervelli più grandi, come l'ippocampo, il bulbo olfattivo e la retina.
L'esatta quantità di luce che queste mappe effonderanno sul cervello è ancora alquanto controversa. La semplice conoscenza dei dati [del cablaggio] non ci porterà lontano se non li inseriamo nel quadro dell'elaborazione e del trasferimento dei dati nel cervello, afferma David van Essen , neuroscienziato alla Washington University, a St. Louis, e presidente della Society for Neurosciences. Seung e altri sperano infine di generare mappe che incorporino le proprietà biochimiche e fisiologiche di varie cellule negli schemi elettrici.