Il primo diagramma completo del cervello di una mosca: una svolta nella neuroscienza

L’immagine dei 50 neuroni più grandi nel cervello della mosca, in tutto il loro splendore tecnicolor, rappresenta un traguardo straordinario per la comunità scientifica. Questo risultato, ottenuto grazie agli sforzi congiunti di un consorzio internazionale di ricerca, segna la prima mappatura completa delle connessioni neuronali di un intero cervello di mosca della frutta. Accompagnato da una serie di articoli scientifici, questo traguardo sta già portando a nuove scoperte e promette di rivoluzionare ulteriormente il campo della neuroscienza.

Perché abbiamo bisogno di mappe cerebrali?

Il concetto di connettoma

Le mappe che mostrano ogni neurone in un cervello e tutte le connessioni tra di essi sono chiamate connettomi. Il primo organismo ad essere mappato in questo modo è stato il verme Caenorhabditis elegans, il cui sistema nervoso è stato descritto in un articolo fondamentale nel 1986. Questo lavoro ha plasmato il futuro della ricerca su C. elegans, uno dei modelli organismi più utilizzati, e il suo impatto è ancora evidente oggi.

La complessità del cervello umano

Tuttavia, C. elegans non possiede un cervello nel senso tradizionale. Con un semplice “anello nervoso”, riesce a compiere alcune funzioni basilari, ma per avvicinarsi alla complessità del cervello umano, è necessario guardare altrove. Ed è qui che entra in gioco Drosophila melanogaster, la mosca della frutta, uno degli organismi modello più utili nella neuroscienza.

Le capacità della mosca della frutta

“Le mosche possono fare cose complicate come camminare, volare, navigare, e i maschi cantano per le femmine,” ha spiegato il Dr. Gregory Jefferis dell’Università di Cambridge, uno dei co-leader della nuova ricerca. Queste capacità sono rese possibili dai 139.255 neuroni nel loro cervello, connessi da oltre 50 milioni di sinapsi. “Se vogliamo capire come funziona il cervello, abbiamo bisogno di una comprensione meccanicistica di come tutti i neuroni si integrano e permettono di pensare,” ha continuato Jefferis. “Per la maggior parte dei cervelli, non abbiamo idea di come funzionino queste reti.”

Il valore della connettomic

Ecco perché molti scienziati sostengono il campo della connettomic e riconoscono il valore di mappare un cervello a questo livello di dettaglio. La mappatura completa del cervello di una mosca della frutta rappresenta un passo cruciale verso una comprensione più profonda delle reti neuronali.

Come siamo arrivati a questo punto?

Il ruolo del FlyWire Consortium

Il FlyWire Consortium è stato lanciato per sfruttare le ultime tecnologie e riunire esperti da decine di laboratori in tutto il mondo, con l’obiettivo di produrre un connettoma completo del cervello della mosca della frutta. Tuttavia, il compito era arduo. “Solo pochi anni fa, ottenere un connettoma completo di Drosophila sembrava irraggiungibile,” scrive Anita V. Devineni in un articolo di News & Views che accompagna i nuovi articoli pubblicati.

La sfida della mappatura neuronale

C. elegans contiene solo 302 neuroni. Gli scienziati avevano precedentemente mappato il cervello di una larva di mosca della frutta, che contiene circa 3.000 neuroni. Ma per una mosca adulta, avrebbero dovuto scalare fino a quasi 140.000 neuroni, un numero che impallidisce di fronte agli 80 miliardi del cervello umano.

Il processo di mappatura

La mappatura è iniziata con 21 milioni di immagini del cervello di una mosca della frutta femmina adulta. Con l’aiuto dell’intelligenza artificiale (AI), le immagini sono state allineate e sono state generate ricostruzioni 3D dei singoli neuroni. Questo “primo abbozzo” è stato poi meticolosamente revisionato, coinvolgendo centinaia di ricercatori e scienziati cittadini da tutto il mondo. Si stima che, per una sola persona, questo lavoro avrebbe richiesto ben 33 anni di lavoro a tempo pieno.

Il progresso raggiunto

“Nel 2021, solo il 15 percento dei neuroni era stato revisionato,” ha dichiarato la Dr.ssa Shelli Avenevoli in un’altra dichiarazione, quindi è sorprendente pensare a quanto progresso sia stato fatto in soli tre anni. Altri dati esistenti sono stati utilizzati per identificare e categorizzare le sinapsi, tutte 50 milioni, e poi è arrivato il compito di “leggere” la mappa. In uno degli articoli, Jefferis, insieme a Davi Bock dell’Università del Vermont e altri colleghi, annotano i diversi tipi di neuroni presenti nel cervello. In totale, ci sono più di 8.400 tipi di neuroni, di cui oltre 4.500 sono nuovi per la scienza.

Quali sono i prossimi passi?

Le prospettive future

Questo è un traguardo incredibile, ma se sperate di vedere qualcosa di simile per il cervello umano, probabilmente dovrete aspettare ancora un po’. Un intero cervello di mosca è largo meno di 1 millimetro; un intero cervello umano è quasi inimmaginabilmente più complesso. Tuttavia, il team ha già un altro obiettivo in mente. “Il cervello della mosca è una pietra miliare nel nostro cammino verso la ricostruzione di un diagramma di cablaggio di un intero cervello di topo,” ha commentato il Dr. Sebastian Seung dell’Università di Princeton, uno dei co-leader della ricerca.

Scalare la tecnologia

Ora che FlyWire ha dimostrato cosa può essere realizzato, non c’è motivo per cui lo stesso approccio non possa essere gradualmente ampliato per affrontare sfide più grandi. Nel frattempo, il connettoma sta già facilitando ricerche che potrebbero avere importanti implicazioni anche per gli esseri umani. “Anni di lavoro spesi in esperimenti anatomici per tracciare la connettività saranno sostituiti da pochi clic sul sito web di FlyWire,” scrive Devineni.

Implicazioni per la ricerca umana

Le mosche condividono il 60 percento del nostro DNA, e ci sono molti parallelismi nel funzionamento dei nostri cervelli. La pubblicazione di questa nuova mappa cerebrale segna un vero momento di svolta che senza dubbio influenzerà la ricerca neuroscientifica per decenni a venire.

Pubblicazioni scientifiche

L’articolo principale è pubblicato su Nature. Gli articoli complementari, anch’essi pubblicati su Nature, possono essere consultati tramite la pagina di atterraggio dedicata.