Mappata Per La Prima Volta L'Attivita' Cerebrale Di Un Vertebrato

Periodo intenso questo per la ricerca scientifica e tecnologica! Appena ieri sono stati pubblicati i risultati del telescopio Planck, che hanno reso possibile ottenere la  mappa più dettagliata mai realizzata delle micro-onde cosmiche di fondo.

Oggi un'altra notizia straordinaria, questa volta nell'ambito delle Neuroscienze: è stata mappata l'attività cerebrale di un vertebrato, più precisamente si tratta degli embrioni del pesce zebra!

Lo afferma uno studio, pubblicato il 18 marzo scorso su Nature Methods, dal titolo "Whole-brain functional imaging at cellular resolution using light-sheet microscopy" (doi:10.1038/nmeth.2434) 

Guardate il video seguente.


Si vedono dei lampi luminosi dalla forma strana, ma in realtà è l'attività dei singoli neuroni osservata negli embrioni dei pesci zebra (Danio rerio) dai ricercatori del Janelia Farm Research Campus, associati all’Howard Hughes Medical Institute di Ashburn, in Virginia.

I neuroni del pesce sono stati marcati con una proteina fluorescente, sensibile alle fluttuazioni di ioni calcio nei neuroni, evidenziate dai lampi nelle cellule nervose. Il sistema ha registrato l’attività dell’intero cervello ogni 1,3 secondi. Il video è il frutto di ore di osservazione e 1 terabyte di dati raccolti.

Per la prima volta  gli scienziati sono stati in grado di mappare l'attività di un intero cervello dei vertebrati, a livello di singole cellule, senza perdita di dettagli nella risoluzione, grazie alla sofisiticata tecnica di imaging impiegata.

Nell'abstract, a cura dei ricercatori Misha B. Ahrens e Philipp J. Keller, si legge:

 "La funzione del cervello si basa sulla comunicazione tra grandi popolazioni di neuroni attraverso aree multiple del cervello, una comprensione completa delle quali richiederebbe la conoscenza di come varia nel tempo l'attività di tutti i neuroni nel sistema nervoso centrale. 

Nel nostro studio, abbiamo utilizzato la tecnologia emergente della Light sheet Microscopy per registrare l'attività, segnalata attraverso l'indicatore calcio geneticamente codificato GCaMP5G, dell'intero volume del cervello del pesce zebra larvale in vivo a 0.8 Hz, catturando oltre l'80% di tutti i neuroni alla risoluzione della singola cellula.
Dimostrando come questa tecnica possa essere utilizzata per rivelare circuiti funzionalmente definiti in tutto il cervello, è possibile identificare due popolazioni di neuroni con modelli di attività correlate. Un circuito è costituito da neuroni del rombencefalo funzionalmente accoppiati al neuropilo del midollo spinale. L'altro circuito è costituito da una popolazione anatomicamente simmetrica nel rombencefalo anteriore, con attività nelle metà destra e sinistra oscillante in controfase, su un orizzonte temporale di 20 s, e accoppiata ad oscillazioni di uguale lentezza nell'oliva inferiore (oliva bulbare o inferiore, è una piccola massa ovoide situata nel midollo allungato tra la piramide anteriore e il fascio laterale)."

Il testo in colore e i link, nell'abstract, sono stati inseriti da me. Per approfondire, vi consiglio l'articolo di Nature.

I risultati di questo studio vanno nella direzione dell'ambizioso progetto "Brain Acritivity Map Project", un'iniziativa di ricerca collaborativa che dovrebbe essere annunciato dall'amministrazione Obama nel 2013, con l'obiettivo di mappare l'attività di ogni singolo neurone del cervello umano in dieci anni.
Sulla base dello Human Genome Project, l'iniziativa dovrebbe costare più di $ 300 milioni di dollari all'anno per dieci anni.
Si prevede che sarà organizzata dall'Office of Science and Technology Policy, con la partecipazione del National Institutes of Health , la Defense Advanced Research Projects Agency, e la National Science Foundation, con la collaborazione del Howard Hughes Medical Institute e l'Allen Institute for Brain Science. Hanno preso parte alla pianificazione del progetto anche i  rappresentanti di Google, Microsoft e Qualcomm.

Le news circa l'iniziativa riportano che l'obiettivo è quello di mappare l'attività di ciascuno dei circa 100 miliardi di neuroni del cervello umano, anche se gli studi iniziali saranno condotti su topi e altri vertebrati.

Parallelamente, in Europa è al via lo Human Brain Project (Progetto cervello umano), un progetto scientifico nel campo dell'informatica e delle Neuroscienze che mira a realizzare, entro il 2023, attraverso un supercomputer, una simulazione del funzionamento completo del cervello umano.

Il progetto europeo (insieme al progetto Graphene) è stato selezionato dalla Commissione europea tra i FET Flagships, i progetti faro di ricerca e sviluppo promossi dall'Unione Europea: scelti da una rosa di sei candidati, i due progetti beneficeranno di un sostegno finanziario di 1 miliardo di euro lungo dieci anni.
Il programma scientifico è diretto da un'equipe svizzera dell'École polytechnique fédérale de Lausanne (ÉPFL), in collaborazione con più di 90 università e scuole di alta formazione di 22 differenti paesi. Direttore del progetto è Henry Markram.

In definitiva il percorso è lungo ed irto di grandi difficoltà, ma assolutamente affascinante. Siamo solo agli inizi...confidiamo nella Scienza e nella Tecnologia!


Aggiorno il post con le corrette e significative considerazioni dell'amico Paolo Pascucci, autore del blog "Questione della Decisione" ed esperto di Neuroscienze:

"Tanto perché i lettori si rendano bene conto delle dimensioni di quel cervello, stiamo parlando di lunghezze inferiori al millimetro. L'impresa è eccezionale, apre prospettive di indagini simili su cervelli di mammiferi anche se con il non piccolo ostacolo della "liberazione" del contenitore (la teca cranica), che in questo caso è trasparente e permette al contatore di rilevare le piccole accensioni dei neuroni, ma nel caso di altri animali non è trasparente e deve essere rimossa. Altra limitazione è l'ancora alto intervallo temporale di registrazione che non permette la rilevazione fine delle serie di scarica veloce o multipla dei neuroni. Comunque, come ogni buona attività pionieristica, getta le basi per una potenziale rivoluzione. Quella della riduzione quantitativa di un qualsiasi fenomeno qualitativo è, da sempre, il sogno di ogni ricercatore o di ogni semplice curioso della natura. E' a questo livello che, paradossalmente, la nostra mente può padroneggiare gli eventi in maniera scientifica (e non come nelle pseudoscienze a livello di opinioni), ricreando sequenze che presentano ripetizioni. La natura, però, sa essere così sorprendente che non mi sorprenderei se, come accadde agli increduli fisici di inizio '900 con la meccanica quantistica, questa riduzione riservasse sorprese non gradite ai neurobiologi. Sorprese tali che permettessero di scoprire, per esempio, che una parte dell'attività cerebrale non può essere ridotta e che non esistono sequenze di scarica simili per eventi simili. Questo però sembrerebbe in parte scongiurato, perché un recente lavoro (che purtroppo si è perso nella mia memoria) sembrerebbe assegnare a sequenze di eventi simili, uguali sequenze di scarica cerebrali, anche in soggetti diversi.  E' sicuramente un passo di straordinario interesse, anche in ottica europea, e rappresenta una di quelle sfide appassionanti che rendono la scienza uno dei "gialli" più avvincenti del mondo."