Potrebbe sembrare una pittura, la riproduzione di un paesaggio onirico. E, in effetti, è una straordinaria opera d’arte: si tratta infatti di un millimetro cubo di cervello umano ingrandito all’inverosimile. Ricercatori di Google e neuroscienziati dell’Università di Harvard hanno combinato l’imaging cerebrale con l’intelligenza artificiale, ricostruendo le cellule e le connessioni in un tessuto grande quanto mezzo chicco di riso. Una visione senza precedenti del cervello umano, che potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere meglio i disturbi neurologici e a rispondere a domande fondamentali sul funzionamento della nostra «materia grigia». Le immagini ottenute dai ricercatori, pubblicate su Science e Nature, e riprese dal Corriere della Sera, sono state rese disponibili gratuitamente alla comunità scientifica.
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La riproduzione grazie all’intelligenza artificiale
La mappa 3D copre un milionesimo di un cervello e contiene circa 50mila cellule e 150 milioni di sinapsi, le connessioni tra i neuroni. Il frammento è stato prelevato da una donna di 45 anni durante un intervento chirurgico per curare l’epilessia. Proviene dalla corteccia, un’area coinvolta nell’apprendimento, nella risoluzione dei problemi e nell’elaborazione dei segnali sensoriali. Il campione è stato immerso in conservanti e colorato con metalli pesanti per rendere le cellule più visibili. Una foresta intricata e misteriosa: ecco come si presenta un millimetro cubo di cervello umano. Un neurone (bianco) con 5.600 assoni (prolungamenti che trasmettono i segnali nervosi, in blu). In verde le sinapsi, cioè le connessioni tra i neuroni (credit: Google Research & Lichtman Lab, Università di Harvard; rendering di D. Berger, Università di Harvard)
Jeff Lichtman, neuroscienziato dell’Università di Harvard (Cambridge, Massachusetts) e i suoi colleghi hanno tagliato il campione in circa 5mila fette – ognuna dello spessore di 34 nanometri – che sono state poi fotografate con microscopi elettronici. Il team di Viren Jain, neuroscienziato di Google a Mountain View (California), ha quindi messo a punto modelli di intelligenza artificiale in grado di «ricucire» le immagini al microscopio per ricostruire l’intero campione in 3D. «Ricordo il momento in cui sono entrato nella mappa e ho guardato una singola sinapsi del cervello di questa donna, per poi zoomare su altri milioni di pixel – ha raccontato Jain -. È stata una specie di sensazione spirituale».
Una estrema complessità
Esaminando il modello in dettaglio, i ricercatori hanno scoperto alcuni neuroni «annodati» su sé stessi e altri in grado di creare fino a 50 connessioni tra loro. «In generale, tra due neuroni si trovano al massimo un paio di connessioni – ha spiegato Jain -. Nessuno aveva mai visto niente del genere prima d’ora. È quasi un po’ umiliante: come potremo mai fare i conti con tutta questa complessità?». Il team ha inoltre individuato coppie di neuroni che formano immagini speculari. «Abbiamo trovato due gruppi che inviavano i loro dendriti (ramificazioni dei neuroni, ndr) in direzioni diverse e a volte c’era una sorta di simmetria» ha aggiunto lo scienziato.
La mappa del cervello
La mappa è molto complessa e per la maggior parte deve ancora essere esaminata: potrebbe contenere errori creati dal processo di «cucitura» delle singole immagini. «Molte parti sono state “corrette”, ma ovviamente si tratta di pochi punti percentuali delle 50mila cellule presenti» ha ammesso Jain. L’équipe ha in programma di produrre mappe simili su campioni di cervello di altre persone, ma è improbabile che nei prossimi decenni si riesca a ottenere una mappa dell’intero cervello.
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