I rapidi progressi nella connettomica su larga scala stanno cominciando a mettere in evidenza l'importanza delle variazioni individuali nel circuito neurale. Evidenziano anche i limiti dei soli "schemi elettrici".

Da: quantamagazine

Pyramidal Neurons by Quanta Magazine on Sketchfab

Un modello 3D di neuroni piramidali strettamente legati che corrono attraverso lo strato corticale 5 di un cervello di mammifero; i neuroni sono stati colorati diversamente per distinguerli. I ricercatori hanno intrapreso la costruzione di "connettomi" che mappano tutte le connessioni sinaptiche all'interno del cervello di diverse specie, compresi gli esseri umani.

L'estate scorsa un gruppo di neuroscienziati dell'Università di Harvard e ingegneri di Google hanno pubblicato il primo schema elettrico di un pezzo di cervello umano. Il tessuto, delle dimensioni di una capocchia di spillo, era stato conservato, colorato con metalli pesanti, tagliato in 5.000 fette e ripreso al microscopio elettronico. Questo millimetro cubo di tessuto rappresenta solo un milionesimo dell'intero cervello umano. Eppure la vasta raccolta di dati che lo rappresenta comprende 1,4 petabyte di immagini al microscopio dai colori brillanti di cellule nervose, vasi sanguigni e altro.

"È come scoprire un nuovo continente", ha detto Jeff Lichtman di Harvard, l'autore senior del documento che ha presentato questi risultati. Ha descritto un serraglio di caratteristiche sconcertanti che il suo team aveva già individuato nel tessuto umano, compresi nuovi tipi di cellule mai visti in altri animali, come i neuroni con assoni che si arricciano e spiraleggiano uno sopra l'altro e neuroni con due assoni invece di uno. Queste scoperte hanno solo graffiato la superficie: Per cercare il campione completamente, ha detto, sarebbe un compito simile a guidare ogni strada del Nord America.

Lichtman ha trascorso la sua carriera creando e contemplando questi tipi di schemi di cablaggio neurale, o connectome - mappe complete di tutte le connessioni neurali all'interno di una parte o la totalità di un cervello vivente. Poiché un connettoma è alla base di tutta l'attività neurale associata a un volume di materia cerebrale, è una chiave per capire come il suo ospite pensa, sente, si muove, ricorda, percepisce e molto altro.

Non aspettatevi presto uno schema elettrico completo per un cervello umano, tuttavia, perché è tecnicamente impossibile: Lichtman fa notare che lo zettabyte di dati coinvolti sarebbe equivalente a una parte significativa dell'intero contenuto immagazzinato oggi nel mondo. Infatti, l'unica specie per la quale esiste ancora un connettoma completo è Caenorhabditis elegans, l'umile verme.

Tuttavia, le masse di dati connectome che gli scienziati hanno accumulato da vermi, mosche, topi ed esseri umani stanno già avendo un effetto potente sulle neuroscienze. E poiché le tecniche per la mappatura dei cervelli stanno diventando più veloci, Lichtman e altri ricercatori sono entusiasti del fatto che la connettomica su larga scala - mappare e confrontare i cervelli di molti individui di una specie - sta finalmente diventando una realtà.

Gli individui biologici tipicamente variano così tanto in così tanti modi che gli scienziati hanno bisogno di esaminarne assortimenti per trarre conclusioni. La connettomica su larga scala potrebbe dare alle neuroscienze lo stesso tipo di spinta enorme che il sequenziamento veloce e semplice del genoma ha portato alla genomica.

Un lavoro recente con C. elegans ha dimostrato il potere della connettomica su larga scala. Un esperimento ha dimostrato che a volte è possibile per gli scienziati prevedere il comportamento di un animale dalla conoscenza del suo connettoma; un altro ha accennato alle regole che governano il collegamento dei neuroni in circuiti funzionanti. Questi successi, tuttavia, sottolineano anche quanto lontano la connettomica su larga scala deve ancora andare prima di poter affrontare creature molto più complesse. I ricercatori sono anche cauti sulle limitazioni incorporate a ciò che la connettomica può dirci.

Predire i comportamenti dalle connessioni

Circa 35 anni fa, il primo diagramma di cablaggio del cervello completo è stato completato per il verme rotondo. Per il suo tempo, lo sforzo è stato eroico, anche se l'animale ha solo 302 neuroni nel suo cervello. È stato realizzato attraverso il processo minuzioso di disegnare a mano le connessioni neuronali su stampe di immagini di microscopia elettronica. Ci sono voluti più di 15 anni per completarlo.

Tendo a pensare alla connettomica nella maggior parte dei contesti come alle spedizioni sull'Everest. Lo fai una volta e dici che hai finito. Aravinthan D.T. Samuel, Università di Harvard

Oggi, i progressi nella tecnologia di imaging aumentati dall'intelligenza artificiale rendono possibile agli scienziati di completare un singolo cervello di C. elegans in circa un mese. I neuroscienziati possono mappare diversi vermi per un singolo esperimento per fare confronti tra individui con tratti diversi o in diverse fasi della vita. Essi sovrappongono l'imaging funzionale alle mappe per imparare come la rete di connessioni si accende durante i comportamenti complessi.

Questo approccio sta portando a progressi impressionanti nella comprensione di questi animali. In un rapporto su Cell pubblicato a settembre, gli scienziati hanno usato il connectome del verme per descrivere uno dei comportamenti più complessi del mondo naturale: il sesso. Usando il video e il calcium imaging - che misura e traccia l'attività nelle cellule cerebrali - hanno registrato C. elegans durante l'atto dell'accoppiamento. I video hanno mostrato i vermi che strisciavano l'uno intorno all'altro in modelli serpentini, mentre la luce bianca delle proteine fluorescenti che indicano l'attività neuronale si accendeva e spegneva lungo la lunghezza dei loro corpi sottili.

Caenorhabditis elegans nervous system by Quanta Magazine on Sketchfab

Un modello 3D del sistema nervoso del verme Caenorhabditis elegans. Poiché questo verme ha solo 302 neuroni, è il primo (e finora, unico) animale per il quale è stato possibile compilare un connettoma completo e dettagliato.

Gli scienziati hanno suddiviso i complessi comportamenti di accoppiamento in sottocategorie come la ricerca del partner, la copulazione e il riposo. Poi hanno mappato le attività neuronali sul connettoma del verme per identificare i meccanismi cerebrali che elaborano le informazioni dall'ambiente durante l'accoppiamento. La mappa risultante dell'attività cerebrale era così pronunciata e coerente tra gli otto vermi utilizzati nello studio che potevano usarla per prevedere i comportamenti di un nono verme, ha spiegato Vladislav Susoy, un neuroscienziato e primo autore dello studio.

Così gli scienziati hanno deciso di mettere la loro comprensione alla prova sperimentalmente. Prendendo un nuovo verme, hanno eliminato con precisione uno dei cinque neuroni coinvolti in un movimento chiamato "rotazione", in cui il verme si avvolge intorno al suo compagno appena prima della copulazione. Senza quel neurone, il verme ha perso la sua capacità di girare. "È stato davvero sorprendente quanto fosse chiaro il legame", ha detto Susoy.

Florian Engert, un neuroscienziato di Harvard che lavora su una mappa del cervello del pesce zebra, un'altra specie di laboratorio ampiamente utilizzato, ha chiamato la carta C. elegans "una pietra miliare" nel campo per il suo uso del connettoma per generare intuizioni in un comportamento complesso. Il connettoma sta "diventando una risorsa critica", ha detto.

"Il modo in cui l'intero campo vuole usare la connettomica ora è come uno strumento e un database per indagare come operano i circuiti neuronali", ha detto Gregor Schuhknecht, un neuroscienziato e un borsista post-dottorato nel laboratorio di Engert.

Ma oltre a spiegare i fondamenti dei comportamenti, gli studi di connettomica possono anche rivelare sottili dettagli su come quei comportamenti sono cablati nel cervello.

C'è un numero infinito di modi in cui il cervello potrebbe fare le cose. E la mia ipotesi è che, quasi in ogni caso, il sistema nervoso raramente prende la via più semplice perché non è progettato per essere semplice. Jeff Lichtman, Università di Harvard

 Per esempio, è noto da tempo che in C. elegans, le connessioni tra i neuroni si riorganizzano drammaticamente tra la nascita e l'età adulta. Per capire come il cervello cambia durante lo sviluppo, in un recente documento su Nature, i laboratori di Mei Zhen al Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute del Mount Sinai Hospital di Toronto e Aravinthan D.T. Samuel e Lichtman ad Harvard hanno confrontato i connettori di otto vermi tondi geneticamente identici che vanno tra le fasi larvali e adulte.

La scoperta più interessante dello studio, secondo il primo autore Daniel Witvliet, è stata che anche se i vermi erano geneticamente identici, fino al 40% delle connessioni tra le cellule nervose nei loro cervelli differivano. Inoltre, le connessioni che variavano tra gli individui erano più deboli di quelle che erano simili. Le connessioni più forti che contenevano 100 sinapsi o più erano coerenti tra più organismi.

Per Witvliet e Lichtman, questa scoperta indica il potere dei confronti delle mappe cerebrali alla rinfusa. Non si può semplicemente dire: "Abbiamo mappato il connettoma del verme", perché ogni connettoma è leggermente diverso", ha detto Witvliet.

Lichtman dice che la scoperta indica l'esistenza di due classi di connessioni: quelle variabili e quelle coerenti. Se si scopre che gli animali fanno connessioni più coerenti per sostenere l'attività neurale essenziale per la sopravvivenza, allora pensa che il livello di variazione nelle connessioni potrebbe diventare un marcatore importante per le caratteristiche significative nel connectome.

"Se si hanno più connettomi, le parti funzionalmente importanti possono emergere da quel mare di casualità", ha detto Lichtman. Egli spera che in futuro, la connettomica analizzerà regolarmente il cervello di più individui, confrontando animali sani e non sani, giovani e vecchi, e così via. "Penso che è lì che le cose si dirigeranno una volta che la mappatura del cervello diventerà routine".

Il problema "n di 1" delle neuroscienze

Ottenere la connettomica su larga scala per essere di routine, tuttavia, sarà più facile a dirsi che a farsi. Il campo della connettomica soffre ancora di quello che Lichtman chiama un problema "n di 1": anche con tutti i recenti miglioramenti nella tecnologia di mappatura neurale, diagrammare il cablaggio del cervello anche di un solo individuo, soprattutto in una specie più complessa di un verme, non è un compito da intraprendere alla leggera.

Il suo collega Samuel, co-autore con Susoy del documento sull'accoppiamento dei vermi, è d'accordo. "Tendo a pensare alla connettomica nella maggior parte dei contesti come alle spedizioni sul monte Everest", ha detto Samuel. "Lo fai una volta e dici che hai finito".

Questa sfida rappresenta un handicap significativo per la ricerca, in particolare sulle creature complesse. Quando Lichtman e i suoi colleghi hanno mappato il frammento di cervello umano, per esempio, non avevano idea se le cose strane che hanno visto erano normali o una tantum a causa della storia unica e del patrimonio genetico della persona. Se potessero mappare campioni equivalenti da 100 cervelli umani, allora otterrebbero un po' di chiarezza su queste incognite, ma a 1,4 petabyte per cervello, è improbabile che questo accada presto.

Tuttavia, la connettomica sta facendo importanti progressi anche dove non può ancora essere su larga scala e dove esistono solo connettomi parziali. Il lavoro nel moscerino della frutta, Drosophila melanogaster, è particolarmente avanti, sia nella larva (che ha circa 10.000 neuroni) che nell'adulto (con circa 135.000 neuroni). L'anno scorso, i ricercatori del Janelia Research Campus dell'Howard Hughes Medical Institute hanno pubblicato un connettoma "emi-cervello" a livello di sinapsi che ha mappato molti importanti centri di controllo nel cervello della mosca. Questo ha portato ad un importante annuncio nel mese di ottobre, quando i neuroscienziati hanno scoperto decine di nuovi tipi di neuroni e circuiti che sembrano aiutare la navigazione della mosca. Il lavoro è stato salutato come un'importante pietra miliare nel rivelare come le mosche incorporano informazioni sensoriali e le traducono in azione.

Ci può essere anche un grande valore nell'essere in grado di confrontare i genomi di diverse specie, anche se ciascuno dei loro connettori è essenzialmente un pezzo unico. A luglio, una collaborazione di neuroscienziati dell'Allen Institute for Brain Research, della Princeton University e del Baylor College of Medicine ha rilasciato un set di dati che contiene le strutture fini e la connettività di 200.000 cellule cerebrali nella neocorteccia visiva del topo. Il progetto ha richiesto cinque anni per essere completato e rappresenta il più grande set di dati nei topi fino ad oggi.

Questo è solo un inizio su tutto il cervello, ma anche questo significa che per la prima volta, i ricercatori possono confrontare parti dei connettomi di due mammiferi - topi ed esseri umani. Quando un connettoma sarà disponibile per il pesce zebra, sarà possibile guardare tre diversi vertebrati.

Quello che le connessioni non possono fare

I successi della connettomica possono essere agrodolci. Per molti anni, una critica centrale della connettomica è stata che non è sufficiente a spiegare come funziona il cervello. Pur avendo avuto una mappa del cervello di C. elegans per decenni, gli scienziati ancora lottano per trarre conclusioni significative sulle sue funzioni neurali. Per Lichtman, analizzare l'interconnettività apparentemente illimitata dei cervelli più complessi è una sfida che mette alla prova i limiti dell'intelligenza umana e artificiale.

Un altro limite del connettoma è che non ci dice nulla sulla qualità delle connessioni: se sono forti o deboli. Ci dice semplicemente che c'è una connessione. "Se hai 20 connessioni tra due neuroni ma sono tutte estremamente deboli", ha detto Engert, "allora hai bisogno di saperlo se vuoi sapere come le informazioni fluiscono attraverso il cervello".

I neuroscienziati hanno spesso assunto che se un neurone fa una connessione, deve far fare qualcosa al neurone che tocca. Ma non ogni connessione è significativa, sottolinea Lichtman, perché i neuroni fanno migliaia di connessioni con altri neuroni in vaste reti piene di ridondanze e percorsi con funzioni sovrapposte. Questo è il motivo per cui qualcuno può subire un ictus che cancella migliaia di neuroni e non perdere i propri ricordi. "C'è un numero infinito di modi in cui il cervello potrebbe fare le cose", ha detto Lichtman. "E la mia ipotesi è che, quasi in ogni caso, il sistema nervoso raramente prende il percorso più semplice perché non è progettato per essere semplice".

Connectomics ci dice anche quasi nulla sulle sostanze chimiche del cervello chiamate neuromodulatori, che circolano attraverso il fluido che circonda i neuroni, a differenza delle sostanze chimiche neurotrasmettitoriali rilasciate proprio all'interno delle connessioni sinaptiche tra i neuroni. Essi rappresentano un altro modo in cui le cellule del cervello comunicano tra loro.

Molti circuiti neurali cambiano il loro comportamento in presenza di un neuromodulatore, ha detto Louis Scheffer, un neuroscienziato e biologo computazionale al Janelia Research Campus. Cita l'esempio del ganglio stomatogastrico, un circuito di soli tre neuroni in aragoste e granchi che controlla i movimenti ritmici dei muscoli del loro stomaco. Gli scienziati hanno identificato circa 20 neuromodulatori che fanno cambiare a questo ganglio il suo modello di accensione, il che rende difficile trarre conclusioni concrete su quanto le funzioni motorie siano definite puramente dalle connessioni tra i neuroni. Scheffer chiama questo circuito neurale il "bambino poster" del perché un connettoma da solo non può spiegare la funzione del cervello.

Engert pensa che ci sia un accordo diffuso sul fatto che il connettoma non sarà sufficiente per capire il cervello. Ma i successi fino ad oggi delle mappe di cablaggio del cervello nello spiegare i comportamenti nei vermi e nelle mosche, ha detto, mostrano che il connettoma "certamente sarà molto utile per informare la funzione, e potrebbe anche essere necessario".

Fonte quantamagazine.org