Quasi 140mila neuroni e 50 milioni di connessioni tra loro. Uno schema elettrico complesso, ricostruito e messo nero su bianco nella prima mappa completa di un cervello adulto, quello di un moscerino della frutta (Drosophila melanogaster). E’ il traguardo “storico” raggiunto da una maxi collaborazione tra scienziati chiamata ‘FlyWire Consortium’. Il team guidato da Princeton ha costruito la ‘roadmap’ neurone per neurone, e sinapsi per sinapsi, e la ricerca è l’articolo di punta in un numero speciale di ‘Nature’ dedicato al nuovo connettoma – così si chiama questo tipo di mappa – della Drosophila.

Il lavoro viene ritenuto una pietra miliare nello studio del cervello, spiegano gli esperti. In precedenza era stato mappato il cervello del verme C. elegans, con i suoi 302 neuroni, e anche il cervello di una larva di moscerino della frutta, che di neuroni ne aveva poco più di 3mila, ma nell’insetto adulto si raggiungono ben altri ordini di grandezza e complessità nel fitto reticolo elettrico che connette 139.255 neuroni. I moscerini della frutta condividono il 60% del Dna umano e 3 malattie genetiche umane su 4 hanno un parallelo in questi insetti. Comprendere il loro cervello, evidenziano i ricercatori, è dunque un ‘trampolino di lancio’ per comprendere il cervello di specie più grandi e complesse, come gli esseri umani appunto.

“Si tratta di un risultato importante”, commenta Mala Murthy, direttrice del Princeton Neuroscience Institute e, con il collega Sebastian Seung, co-leader del team di ricerca. “Non esiste un altro connettoma cerebrale completo per un animale adulto di questa complessità”, aggiunge. Seung e Murthy sono co-autori senior del paper principale del numero di Nature che include una serie di 9 articoli correlati con gruppi di autori sovrapposti, guidati da ricercatori della Princeton University, dell’University of Vermont, dell’University of Cambridge, dell’University of California-Berkeley, della UC-Santa Barbara, della Freie Universität-Berlin e del Max Planck Florida Institute for Neuroscience. Il lavoro è stato finanziato in parte dalla Brain Initiative dei National Institutes of Health (Nih) statunitensi, dal Bezos Center for Neural Circuit Dynamics, dal McDonnell Center for Systems Neuroscience del Princeton Neuroscience Institute e da altri istituti e fondi pubblici e privati di neuroscienze.

“Costruito un atlante”

“Quello che abbiamo costruito è, per molti versi, un atlante”, illustra Sven Dorkenwald, autore principale dell’articolo. La mappa è stata sviluppata dal FlyWire Consortium, con sede alla Princeton University, e composto da team di oltre 76 laboratori con 287 ricercatori in tutto il mondo. “Proprio come non vorresti guidare verso un posto nuovo senza ‘Google Maps’ – è la metafora usata da Dorkenwald – non puoi esplorare il cervello senza una mappa. Quello che abbiamo fatto è stato costruire un atlante e aggiungere annotazioni per tutte le ‘attività’, gli ‘edifici’, i nomi delle ‘strade’. Ora i ricercatori sono ora attrezzati per navigare attentamente nel cervello mentre cerchiamo di capirlo”.

Proprio come una mappa che traccia ogni piccolo vicolo, ogni viale, ogni superstrada, il connettoma del moscerino adulto mostra connessioni all’interno del cervello a ogni scala. La mappa è stata costruita a partire da 21 milioni di immagini scattate al cervello di una femmina di moscerino della frutta da un team di scienziati guidato da Davi Bock, allora al Janelia Research Campus dell’Howard Hughes Medical Institute e ora all’università del Vermont. Utilizzando un modello di intelligenza artificiale creato da ricercatori e ingegneri informatici che collaborano con Seung di Princeton, i grumi e le macchie in quelle immagini sono stati trasformati in una mappa tridimensionale etichettata. I ricercatori hanno anche annotato molti dettagli sullo schema elettrico, come la classificazione di oltre 8mila tipi di cellule nel cervello, cosa che consente di selezionare sistemi particolari all’interno del cervello per ulteriori studi, come i neuroni coinvolti nella vista o nel movimento.

“Pietra miliare che potrebbe portare a nuove cure”

E invece di mantenere riservati i loro dati, gli esperti hanno aperto la loro mappa neurale in corso di elaborazione alla comunità scientifica fin dall’inizio, rimarcano. “La mappatura dell’intero cervello è stata resa possibile dai progressi nell’Ai – puntualizza Seung – Non sarebbe stato possibile ricostruire manualmente l’intero schema elettrico. Questa è una dimostrazione di come può far progredire la neuroscienza”. Ora che c’è la mappa, aggiunge Dorkenwald, “possiamo chiudere il cerchio su quali neuroni sono correlati a quali comportamenti”. Sviluppare questo enorme filone di ricerca, fanno notare gli autori, potrebbe portare a trattamenti su misura per le malattie cerebrali. Il cervello “per molti aspetti è più potente di qualsiasi computer creato dall’uomo, ma per la maggior parte ancora non ne comprendiamo la logica di fondo – riflette John Ngai, direttore della Brain Initiative – Senza una comprensione dettagliata di come i neuroni si collegano tra loro, non avremo una comprensione di base di cosa va bene in un cervello sano o cosa va male in una malattia”. Il percorso continua, conclude Seung, “verso la ricostruzione di un diagramma di cablaggio di un intero cervello di topo”.