Il connettoma cerebrale del moscerino della frutta è il cervello più complesso mai mappato

Un folto team internazionale di ricercatori, Il FlyWire Consortium, ha unito le forze per mappare ogni neurone e connessione (il connettoma) del cervello del moscerino della frutta Drosophila, riuscendo a produrre la mappa completa del cablaggio sinaptico del cervello più complesso pubblicata fino ad oggi.

Al MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB) del Cambridge Biomedical Campus – che ha guidato la ricerca insieme a lle università di Princeton  e del Vermont – spiegano che «Il cervello della Drosophila contiene quasi 140.000 neuroni e oltre 15 milioni di connessioni sinaptiche. A differenza degli organismi modello mappati in precedenza, il moscerino adulto è capace di comportamenti complessi, tra cui camminare, volare, orientarsi, cantare e formare memorie complesse, che si riflettono nella complessità del suo cervello». La mappa completa del connettore è illustrata in due studi e pubblicati su Nature e può essere esplorato online su codex.flywire.ai. 

Il primo studio,  “Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing quantifies circuit stereotypy in Drosophila“, co-diretto da Mala Murthy e Sebastian Seung del Neuroscience Institute della Princeton University, descrive la revisione completa del connettoma realizzata grazie al lavoro congiunto tra Princeton, Cambridge e ricercatori di tutto il mondo. Il secondo studio, “Neuronal wiring diagram of an adult brain“, co-diretto da Gregory Jefferis della Neurobiology Division del LMB e da Davi Bock dell’università del  Vermont, annota sistematicamente il connettoma, descrivendo oltre 8.000 tipi di cellule uniche in tutto il cervello, quasi il 50% in più di quanto finora si riteneva esistesse nel cervello del topo, ancora più complesso.

La convalida di questo connettoma rispetto a una precedente mappa parziale ha rivelato che «Contrariamente alle preoccupazioni precedenti, i connettomi non sono "fiocchi di neve" unici, ma sono invece altamente coerenti tra gli animali. L'eccezione a questo è stata la scoperta che circa lo 0,5% dei neuroni presenta difetti di cablaggio dello sviluppo».

Osservazioni simili sono state fatte per il connettoma del cervello della Drosophila larvale, pubblicate nel 2023dai team di Marta Zlatic e Albert Cardona della Divisione di Neurobiologia dell'LMB. Gli autori suggeriscono che «La presenza di un significativo cablaggio errato è vera per tutti i cervelli complessi, compresi gli esseri umani, e che questo potrebbe eventualmente contribuire all'individualità e ai diversi disturbi della salute mentale».

Al MRC Laboratory of Molecular Biology raccontano che «Compilare questo connettoma completo è stata un'impresa titanica. In un precedente lavoro guidato da Davi Bock (allora al Janelia Research Campus), un singolo cervello di moscerino è stato tagliato in diverse migliaia di sezioni, ciascuna delle quali misurava solo 40 nanometri di spessore. Queste sono state quindi visualizzate tramite microscopia elettronica ad alta risoluzione per risolvere strutture sottili fino alle singole sinapsi. Il team di Princeton ha quindi utilizzato reti neurali profonde AI per segmentare le immagini ed estrarre neuroni e le loro connessioni. Tuttavia, la segmentazione computerizzata iniziale conteneva milioni di errori che richiedevano una correzione manuale. In totale, i ricercatori di Princeton, Cambridge, oltre 50 laboratori in tutto il mondo e persino un gruppo di citizen scientists hanno impiegato collettivamente circa 33 anni di sforzi per correggere e ricorreggere la segmentazione. Una volta completata la maggior parte della correzione di bozze, Philipp Schlegel e i colleghi del team Jefferis sono passati alla generazione di una libreria di oltre 800.000 annotazioni per aiutare i numerosi ricercatori coinvolti nel progetto a navigare nel nuovo connettoma e a fare riferimenti incrociati con i risultati precedenti».

Philipp Schlegel, anche lui del MRC Laboratory of Molecular Biology , evidenzia su BBC News che  «Questo di per sé è stato un tour de force tecnico, ma il lavoro era solo a metà. La sola mappa era priva di significato se non ci fosse stata una descrizione di cosa avrebbe dovuto fare ogni filo. Questi dati sono un po' come Google Maps, ma per il cervello: lo schema elettrico grezzo tra i neuroni è come sapere quali strutture corrispondono a strade ed edifici. Descrivere i neuroni è come aggiungere nomi di strade e città, orari di apertura delle attività commerciali, numeri di telefono, recensioni, ecc. alla mappa. Hai bisogno di entrambi perché sia ​​davvero utile».

Per gli scienziati del FlyWire Consortium, i due nuovi studi pubblicati su Nature, insieme a molte altre nuove pubblicazioni che utilizzano i dati FlyWire, «Rappresentano un significativo passo avanti nella ricerca per comprendere meglio il funzionamento interno del cervello. Sapere quali neuroni si collegano a quali altri neuroni è fondamentale per far progredire la nostra conoscenza di come funziona il cervello. Questo connettoma consentirà ai ricercatori di cercare facilmente i neuroni di interesse, di vedere connessioni strutturali e di formulare ipotesi verificabili, il che promette di ridurre drasticamente il tempo dedicato a futuri studi neurali. Questo connettoma trae vantaggio anche da un altro tipo di informazione fondamentale: i segnali di tutte le connessioni, eccitatorie vs inibitorie, sono stati previsti utilizzando un nuovo metodo sviluppato in una collaborazione tra il team di Greg e Jan Funke di Janelia. Il successo di questo progetto dimostra la fattibilità della mappatura dell'intero cervello per creature complesse, ed è probabile che venga replicata in altri organismi come i topi. Infine, la Drosophila è un modello comune per indagare le normali funzioni cerebrali come la memoria, ma anche i disturbi neurali, tra cui le malattie neurodegenerative. Sebbene questo dataset  non sia stato generato con in mente un'applicazione medica specifica, il connettoma fornisce un modello di base del cervello "sano" che sarà senza dubbio utile per studi comparativi successivi».

Intervistato da Pallab Ghosh, science correspondent di BBC News,  Jefferis ha detto che «Attualmente non abbiamo idea di come la rete di cellule cerebrali presenti in ciascuna delle nostre teste ci consenta di interagire tra di noi e con il mondo che ci circonda. Quali sono le connessioni? Come scorrono i segnali attraverso il sistema che ci consente di elaborare le informazioni per riconoscere il tuo volto, che ti consente di sentire la mia voce e trasformare queste parole in segnali elettrici? La mappatura del cervello del moscerino è davvero straordinaria e ci aiuterà a comprendere davvero come funziona il nostro cervello».

Ghosh ha chiesto: «Abbiamo un milione di volte più cellule cerebrali, o neuroni, del moscerino della frutta che è stato studiato. Quindi, come può lo schema elettrico del cervello di un insetto aiutare gli scienziati a capire come pensiamo?»

Le immagini prodotte dagli scienziati e pubblicate su Nature mostranoun groviglio di cavi tanto bello quanto complesso e la sua forma e struttura sono la chiave per spiegare come un organo così piccolo possa svolgere così tanti e complessi compiti computazionali. Sviluppare un computer delle dimensioni di un seme di papavero, capace di tutti questi compiti, va ben oltre le capacità della scienza moderna.

Un'altra co-responsabile del progetto, Mala Murthy  della Princeton University, ha detto che «Il nuovo schema elettrico, noto scientificamente come connettoma, è trasformativo per i neuroscienziati. Aiuterà i ricercatori a cercare di capire meglio come funziona un cervello sano. In futuro speriamo che sarà possibile confrontare cosa succede quando le cose vanno male nel nostro cervello».

I ricercatori sono riusciti a identificare circuiti separati per numerose singole funzioni e a mostrare come sono collegati. I fili coinvolti nel movimento, ad esempio, sono alla base del cervello, mentre quelli per l'elaborazione della vista sono verso il lato, dove ci sono molti più neuroni coinvolti perché la vista richiede molta più potenza di calcolo. Sebbene gli scienziati conoscessero già i singoli circuiti, non sapevano come fossero collegati tra loro.

Altri ricercatori stanno già utilizzando gli schemi dei circuiti, ad esempio per capire perché è così difficile scacciare le mosche. I circuiti visivi rilevano la direzione da cui proviene il giornale arrotolato e trasmettono il segnale alle zampe della mosca. Ma, cosa fondamentale, inviano un segnale di salto più forte alle zampe.. Quindi si potrebbe dire che saltano via senza nemmeno dover pensare, letteralmente più velocemente della velocità del pensiero. Questa scoperta potrebbe spiegare perché noi esseri umani, che siamo goffi, raramente schiacciamo le mosche.

Il cervello umano è molto più grande di quello del moscerino della frutta e non disponiamo ancora della tecnologia necessaria per raccogliere tutte le informazioni sul suo cablaggio. Ma i ricercatori sono convinti che forse tra 30 anni sarà possibile avere un connettoma umano: «Il cervello del moscerino è l'inizio di una nuova, più profonda comprensione di come funziona la nostra mente».