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Esperienze e opinioni

Mappare come stanno insieme i 100 miliardi di cellule del cervello è la nuova frontiera delle neuroscienze

Mosaic of mouse brain with cell typesGli strumenti di microscopia possono legare insieme singole immagini in un mosaico fotografico dell'intero cervello. Lo zoom su questa immagine ad alta risoluzione di un cervello di topo rivela linee rettangolari in cui le immagini sono state cucite insieme, e ciascun punto colorato rappresenta un tipo specifico di cellula. (Fonte: Yongsoo Kim, cc by-nc-nd)

Il cervello ha un ruolo essenziale nel modo in cui le persone si muovono nel mondo, generando sia il pensiero che il comportamento. Pur essendo uno degli organi più vitali del corpo umano, occupa solo il 2% del suo volume. Come può un cosa così piccola realizzare compiti così complessi?


Per fortuna, gli strumenti moderni, come la mappatura del cervello, hanno permesso ai neuroscienziati come me di rispondere a questa domanda esatta. Mappando il modo in cui sono organizzati tutti i tipi di cellule del cervello ed esaminando il modo in cui comunicano tra loro, i neuroscienziati possono capire meglio come funziona normalmente il cervello, e cosa succede quando alcune parti di cellule vengono a mancare o a funzionare male.

 

La storia della mappatura del cervello

Il compito di capire il funzionamento interno del cervello ha affascinato sia filosofi che scienziati per secoli. Aristotele ha proposto che il cervello è dove risiede lo spirito. Leonardo da Vinci ha disegnato raffigurazioni anatomiche del cervello inglobando cera. E Santiago Ramón y Cajal, con la sua opera sulla struttura cellulare del sistema nervoso, che gli è valsa il premio Nobel del 1906, ha fatto una delle prime scoperte che hanno portato alla neuroscienza moderna come la conosciamo.


Con un metodo nuovo di visualizzare cellule singole chiamato 'colorazione di Golgi' (Golgi staining), un metodo introdotto dal co-vincitore del Nobel Camillo Golgi, e l'esame microscopico del tessuto cerebrale, Cajal ha stabilito la dottrina del neurone seminale. Questo principio afferma che i neuroni, tra i principali tipi di cellule cerebrali, comunicano tra loro tramite gli spazi tra di loro, chiamati sinapsi. Questi risultati hanno fatto partire una gara per capire la composizione cellulare del cervello e come sono collegate tra loro le cellule cerebrali.


La neuroscienza da allora ha avuto una rapida esplosione di nuovi strumenti sperimentali. Saltando in avanti di 100 anni, per arrivare ad oggi, gli strumenti moderni chiamati neurotecniche, che comprendono la mappatura del cervello, hanno dato ai neuroscienziati un modo di ispezionare attentamente ogni componente del cervello. Il mio laboratorio sta usando questi strumenti di mappatura del cervello per capire quali tipi di cellule lo compongono e come contribuiscono a creare la cognizione.

 

La scienza della mappatura del cervello

Quindi come funziona la mappatura del cervello? Gli scienziati devono prima marcare, o visualizzare, un tipo specifico di cellula. È come trovare un ago in un pagliaio: sarebbe molto più facile da trovare se l'ago, o il tipo di cellula, brillasse. Questo può essere fatto sia con metodi genetici che con immunocolorazione.


Il metodo genetico si avvale degli animali, come i topi, che possono essere progettati geneticamente in modo che solo il tipo di cellula bersaglio sia visibile sotto luci fluorescenti specifiche. I metodi di immunocolorazione, invece, rendono trasparenti dei campioni di cervello con uno speciale trattamento chimico e usano anticorpi per marcare il tipo di cellula bersaglio con una etichetta fluorescente.


Il passo successivo è visualizzare l'intero cervello con tecniche di microscopia che permettono agli scienziati di osservare parti troppo piccole da vedere a occhio nudo. Strumenti di microscopia specializzati possono prendere istantanee, o mattonelle, di tutto il cervello. Mettendo insieme queste mattonelle si può ricostruire un volume 3D intatto, come un mosaico di foto. È come costruire una mappa Google del cervello: combinando milioni di foto singole di strade, si può zoomarle per vedere ogni angolo di strada e rimpicciolirle per vedere l'intera città.


Non sorprende che questo tipo di immagini 3D creino insiemi molto grandi di dati. Anche se un cervello di topo è più piccolo di un dito umano, la dimensione di questi insiemi di dati può facilmente raggiungere dimensioni da un paio di centinaia di gigabyte a un terabyte. Per fortuna, i progressi notevoli nelle apparecchiature informatiche e nel software hanno reso possibile l'analisi di dati su larga scala. Gli algoritmi di intelligenza artificiale in particolare, hanno permesso agli scienziati di rilevare molte caratteristiche di cellule diverse del cervello, come la loro forma e dimensione, nonché i processi che eseguono.


Una volta che gli scienziati saranno in grado di rilevare il tipo di cellula bersaglio in un insieme di immagini, il passo finale è individuare le funzioni cellulari specifiche in un cervello di riferimento. Questo cervello di riferimento serve come mappa standard che mostra dove si trova ogni regione del cervello. Gli scienziati possono quindi usare questa mappa per confrontarla con singoli cervelli e notare le loro variazioni.


Questi passaggi vengono ripetuti per ogni tipo di cellula, creando una mappa più ricca e completa del cervello ad ogni passaggio.

 

Lavorare insieme per costruire una mappa del cervello

Gli scienziati hanno ora gli strumenti per esaminare l'intero cervello in dettaglio molto fine. C'è stato un notevole sforzo di coordinamento e di raggruppamento dei dati da laboratori di ricerca di mappatura del cervello, per creare mappe complete del cervello.


Per esempio, la U.S. BRAIN Initiative ha creato BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) al quale partecipa il mio laboratorio. Gruppi di ricerca che collaborano nella rete hanno pubblicato di recente la mappa più completa di tipi di cellule nella corteccia motoria del cervello per esseri umani, scimmie e topi.


Ma basta questo per capire come funziona il cervello?


I progressi tecnici nella colorazione cellulare e nella microscopia hanno aiutato Santiago Ramón y Cajal a fare la sua scoperta fondamentale sui neuroni. Tuttavia, è stata la sua capacità di arrivare a una teoria che spiega le sue osservazioni che ha fatto avanzare la comprensione del cervello.


Anche se i ricercatori si sono impegnati nella raccolta di informazioni incredibilmente dettagliate sul cervello, l'uso di questi dati per creare nuove teorie su come funziona il cervello è rimasto indietro. Una mappa di cellule non dice necessariamente ai ricercatori come funzionano le cellule e come interagiscono tra loro nel suo complesso.


Per esempio, come fanno queste reti incredibilmente complesse di tipi di cellule del cervello a lavorare insieme per generare la cognizione? C'è un'unità di base del cervello che dirige come si forma e come funziona? Rispondere a domande come queste aiuterà i ricercatori a capire come modifiche specifiche del cervello sono legate a diverse patologie cerebrali, come la demenza, e arrivare a nuove strategie per trattarle.


È un momento molto emozionante per la ricerca neuroscientifica. La mappatura del cervello, incredibilmente ricca, ad alta risoluzione, rappresenta una grande opportunità per i neuroscienziati per riflettere profondamente ciò che dicono questi nuovi dati su come funziona il cervello. Anche se ci sono ancora molte incognite sul cervello, questi nuovi strumenti e tecniche potrebbero aiutarci a fare luce.

 

 

 


Fonte: Yongsoo Kim, professore associato di scienze neurali e comportamentali, Penn State University

Pubblicato su The Conversation (> English) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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