Creata la prima mappa completa del cervello di un insetto

Gli scienziati hanno creato una mappa di un intero cervello larvale di un moscerino della frutta che mostra tutte le 548.000 sinapsi nell’organo.

La mappa completa, chiamata connettoma, ha richiesto 12 anni di lavoro meticoloso per essere costruita e mostra la posizione di tutti i 3.016 neuroni nel cervello di un moscerino della frutta larvale (Drosophila melanogaster). Tra queste cellule cerebrali ci sono 548.000 punti di connessione, o sinapsi, dove le cellule possono scambiarsi messaggi chimici che, a loro volta, attivano segnali elettrici che viaggiano attraverso il cablaggio delle cellule.

I ricercatori hanno identificato le reti attraverso le quali i neuroni su un emisfero del cervello inviano dati all’altro. Il team ha anche classificato 93 tipi distinti di neuroni, che differiscono per forma, funzione proposta e modo in cui si connettono ad altri neuroni.

La nuova mappa è notevole per la sua completezza

“Questo è il primo studio in grado di mappare l’intero cervello centrale di un insetto e quindi caratterizzare tutti i percorsi sinaptici di tutti i neuroni”, hanno dichiarato Nuno Maçarico da Costa e Casey Schneider-Mizell, membri del gruppo di codifica neurale presso l’Allen Institute for Brain Science con sede a Seattle che non erano coinvolti nell’iniziativa.

Nel 2020, un altro gruppo di ricerca ha pubblicato una mappa parziale di un moscerino della frutta adulto che conteneva 25.000 neuroni e 20 milioni di sinapsi. Ma gli scienziati hanno connettomi completi solo per altri tre organismi: un nematode, un’ascidia larvale e un verme marino larvale. Ognuno di questi connettomi contiene alcune centinaia di neuroni e manca dei distinti emisferi cerebrali visti negli insetti e nei mammiferi, ha detto il co-autore senior dello studio Joshua Vogelstein, direttore e co-fondatore del laboratorio NeuroData presso la Johns Hopkins University.

Più di 80 persone hanno contribuito a costruire il nuovo connettoma, ha dichiarato il primo autore dello studio Michael Winding, un ricercatore associato presso il Dipartimento di Zoologia dell’Università di Cambridge. Per fare ciò, gli scienziati hanno tagliato sottilmente un cervello di mosca larvale in 5.000 sezioni e hanno scattato immagini microscopiche di ogni fetta. Hanno messo insieme queste immagini per formare un volume 3D. Il team ha quindi esaminato le immagini, identificato le singole cellule al loro interno e tracciato manualmente i loro fili.

La mappa risultante ha sorpreso gli scienziati in diversi modi.

Ad esempio, gli scienziati tendono a pensare ai neuroni che inviano messaggi in uscita attraverso lunghi fili chiamati assoni e ricevono messaggi attraverso fili più corti e ramificati chiamati dendriti. Tuttavia, ci sono eccezioni a questa regola, e hanno scoperto che le connessioni assone-assone, dendrite-dendrite e dendrite-assone costituiscono circa un terzo delle sinapsi nel cervello della mosca larvale, ha detto Winding.

La mappa è anche sorprendentemente “superficiale”, il che significa che le informazioni sensoriali in arrivo passano attraverso pochissimi neuroni prima di essere trasmesse ad un neurone coinvolto nel controllo motorio, ha detto Vogelstein. Per raggiungere questo livello di efficienza, il cervello ha “scorciatoie” integrate tra i circuiti che assomigliano in qualche modo a quelli dei sistemi di intelligenza artificiale all’avanguardia, ha aggiunto Winding.

Una limitazione della nuova mappa è data dal fatto che non cattura i neuroni eccitatori, ovvero i neuroni che spingono altri neuroni ad attivarsi, o inibitori, ovvero che rendono i neuroni meno propensi ad attivarsi, ha detto Schneider-Mizell. Queste dinamiche influenzano il modo in cui le informazioni fluiscono attraverso il cervello.

Tuttavia, il connettoma apre la porta a molti progressi futuri, come sistemi di intelligenza artificiale più efficienti dal punto di vista energetico e una migliore comprensione di come gli esseri umani apprendono, ha affermato Vogelstein.

“Ci sono buone ragioni per pensare che i meccanismi che hanno le mosche per implementare ogni tipo di funzione cognitiva sia presente anche negli esseri umani”.

Fonte: Science