Connettoma: come la ricerca di una mappa del cervello della mosca ha rivoluzionato le neuroscienze

Connettoma-immagine- immagine: sottoinsieme di neuroni nel sistema nervoso centrale (cervello e cordone nervoso ventrale) del moscerino della frutta maschio (Drosophila). Questo schema di cablaggio del sistema nervoso centrale di un moscerino della frutta maschio adulto aiuterà i ricercatori a comprendere meglio come il cervello renda possibili azioni complesse, dalla percezione sensoriale al comportamento. Crediti: Dati acquisiti e analizzati dal team del progetto FlyEM presso il Janelia Research Campus dell’HHMI, dal Cambridge Connectomics Group e da Google Research. Immagine di Philip Hubbard/HHMI Janelia Research Campus

Punti chiave:

I ricercatori del progetto Janelia e i loro collaboratori presso il Laboratorio di Biologia Molecolare del MRC, l’Università di Cambridge e Google Research hanno completato una mappa degli oltre 166.000 neuroni presenti nel cervello e nel cordone nervoso ventrale del moscerino della frutta. Questo schema di connessione aiuterà i ricercatori a comprendere meglio come il cervello renda possibili azioni complesse, dalla percezione sensoriale al comportamento.
Questo traguardo corona quasi due decenni di ricerca sulla connettomica presso Janelia, un impegno che ha coinvolto centinaia di ricercatori e che ha accelerato il campo della connettomica, portando a progressi nelle neuroscienze, nell’imaging, nell’intelligenza artificiale e nella biologia.
Janelia sta ora applicando le conoscenze acquisite nella connettomica dei moscerini alla costruzione di connettomi di due pesci vertebrati trasparenti: le larve di pesce zebra e gli esemplari adulti di Danionella . L’obiettivo finale è fornire una spiegazione meccanicistica di come il cervello di un vertebrato generi comportamenti complessi: informazioni che potrebbero aiutare gli scienziati a svelare la logica del funzionamento cerebrale e potenzialmente a rivelare come insorgono malattie come l’Alzheimer, l’autismo e la depressione.

Punti chiave dello studio sul connettoma :

I ricercatori del progetto Janelia e i loro collaboratori presso il Laboratorio di Biologia Molecolare del MRC, l’Università di Cambridge e Google Research hanno completato una mappa degli oltre 166.000 neuroni presenti nel cervello e nel cordone nervoso ventrale del moscerino della frutta. Questo schema di connessione aiuterà i ricercatori a comprendere meglio come il cervello renda possibili azioni complesse, dalla percezione sensoriale al comportamento.
Questo traguardo corona quasi due decenni di ricerca sulla connettomica presso Janelia, un impegno che ha coinvolto centinaia di ricercatori e che ha accelerato il campo della connettomica, portando a progressi nelle neuroscienze, nell’imaging, nell’intelligenza artificiale e nella biologia.
Janelia sta ora applicando le conoscenze acquisite nella connettomica dei moscerini alla costruzione di connettomi di due pesci vertebrati trasparenti: le larve di pesce zebra e gli esemplari adulti di Danionella. L’obiettivo finale è fornire una spiegazione meccanicistica di come il cervello di un vertebrato generi comportamenti complessi: informazioni che potrebbero aiutare gli scienziati a svelare la logica del funzionamento cerebrale e potenzialmente a rivelare come insorgono malattie come l’Alzheimer, l’autismo e la depressione.

Quando, nel 2008, i ricercatori del Janelia Research Campus dell’HHMI si proposero di creare una mappa di tutti i neuroni nel cervello del moscerino della frutta, molti nella comunità scientifica pensarono che fossero impazziti.

Erano trascorsi 20 anni da quando gli scienziati avevano svelato lo schema di connessione, o connettoma, dei 302 neuroni del minuscolo verme C. elegans, un’impresa che aveva richiesto più di un decennio. La maggior parte degli scienziati riteneva che mappare il cervello della mosca, con oltre 100.000 neuroni, avrebbe richiesto troppo tempo e sarebbe costato troppo e non pensavano che avrebbe fornito ai neuroscienziati molte informazioni sul funzionamento del cervello.

Ma questi scettici non scoraggiarono Gerry Rubin, Direttore esecutivo e fondatore di Janelia. Al contrario, alimentarono la sua convinzione che, attraverso lo sviluppo di tecniche di imaging e computazionali più avanzate, il campus di ricerca avrebbe potuto ridurre i costi e i tempi necessari per mappare tutti i neuroni di un animale complesso, creando uno schema di cablaggio che avrebbe fornito informazioni senza precedenti su come il cervello renda possibili comportamenti sofisticati.

Oggi, quella visione si è concretizzata con la pubblicazione del connettoma dell’intero sistema nervoso centrale di un moscerino della frutta: uno schema di cablaggio di oltre 166.000 neuroni che compongono il cervello e il cordone nervoso ventrale del moscerino e i milioni di connessioni tra di essi.

Nel corso della sua ricerca, Janelia ha studiato il connettoma della mosca, trasformando la ricerca scientifica e rivelando nuove intuizioni su come il cervello renda possibile il comportamento, aprendo la strada a nuove tecnologie per favorire le scoperte biologiche e contribuendo al fiorente campo della connettomica.

Ora Janelia sta applicando le lezioni apprese nella creazione del connettoma del moscerino della frutta a nuovi modelli animali, con l’ obiettivo finale di fornire la prima descrizione meccanicistica di come il cervello di un vertebrato genera il comportamento.

“Niente di tutto ciò sarebbe successo se non avessimo fatto l’esperimento con la mosca”, afferma Rubin, ora a capo del dipartimento di Biologia e leader di un gruppo di ricerca senior presso Janelia. “Abbiamo avuto il coraggio di credere di poter riunire un team interdisciplinare in grado di sviluppare metodi per aumentare di oltre 1.000 volte l’efficienza nella generazione di connettomi. Questo è stato il nostro contributo fondamentale e senza di esso, staremmo ancora aspettando”.

Scegliere di completare il connettoma della mosca

Poco dopo l’apertura di Janelia, divenne evidente che la creazione di una mappa dettagliata del funzionamento del cervello della mosca si collocava all’incrocio delle sue due aree di interesse del momento: le neuroscienze e le tecniche di imaging avanzate.

«Ritenevamo, e non era un’idea universalmente condivisa, che non saremmo stati in grado di comprendere il cervello a un livello soddisfacente senza avere uno schema dei suoi circuiti», afferma Rubin. «Sapevamo che era possibile; era un problema ben definito. Dovevamo solo capire come risolverlo».

Il team ha stimato che, con la tecnologia disponibile all’epoca, la creazione del connettoma della mosca avrebbe richiesto il lavoro di 500 persone per 10 anni: un tempo e un costo che dovevano essere ridotti grazie a miglioramenti tecnologici.

I ricercatori, guidati dal responsabile del gruppo Harald Hess, hanno trascorso anni a ottimizzare e ampliare una tecnica di microscopia pionieristica per ottenere immagini più nitide e dettagliate dei singoli neuroni, mentre altri team, in collaborazione con i colleghi di Google Research, hanno sviluppato metodi computazionali per velocizzare l’interpretazione delle immagini, arrivando infine al punto in cui la ricostruzione del connettoma è diventata fattibile.

“Janelia era semplicemente nella posizione ideale per avere la pazienza necessaria a sviluppare queste tecnologie, e credo che ciò abbia rappresentato una svolta non solo per il connettoma della mosca, ma anche per moltissime altre applicazioni“, afferma Hess.

Raggiungere traguardi e trasformare la scienza

Il percorso verso la mappatura completa del connettoma è iniziato con la mappatura di piccole parti del cervello biologicamente interessanti. Poi, nel 2020, i ricercatori hanno svelato l’emicervello. Con 25.000 neuroni, la mappa di metà del cervello della mosca è risultata essere il connettoma più grande e dettagliato mai creato, dimostrando la fattibilità e l’utilità di una mappa del cervello della mosca.

Il connettoma dell’emisfero cerebrale ha permesso centinaia di scoperte scientifiche in tutta la comunità, rivelando nuove informazioni sul funzionamento del cervello. Ha inoltre facilitato l’ingresso di altri gruppi di ricerca nel settore, con team di tutto il mondo impegnati nella mappatura delle connessioni neurali di cervelli sempre più complessi.

“C’è un punto in cui le persone mancano di immaginazione, ma alla fine vedono qualcosa e dicono: ‘Ho capito’. Ecco perché questo studio sarà davvero importante”, afferma Rubin. “Questo è ciò che l’emicervello ha fatto per i neuroscienziati, mostrando cosa si poteva imparare da un connettoma. Ha semplicemente cambiato l’atteggiamento delle persone riguardo a ciò che sarebbe stato possibile“.

Completamento del connettoma del SNC

Il connettoma appena completato rappresenta la prima mappatura completa del sistema nervoso centrale di un moscerino della frutta maschio, comprendente tutti i neuroni del cervello, entrambi i lobi ottici e il cordone nervoso ventrale.

Ciò consentirà agli scienziati di tracciare i circuiti neuronali completi che collegano la percezione sensoriale al comportamento, permettendo ai ricercatori di determinare come le mosche compiono azioni fondamentali, come orientarsi verso una meta.

Inoltre, consente ai ricercatori di confrontare i cervelli maschili e femminili e di comprendere comportamenti sociali complessi, come l’accoppiamento e l’aggressività, che possono variare in base al sesso.

Oltre a rappresentare una risorsa per l’intera comunità scientifica, i ricercatori di Janelia e i loro collaboratori hanno già iniziato a scoprire nuove informazioni biologiche sulle differenze tra il cervello delle mosche maschio e femmina e sui sistemi visivo e gustativo di questi insetti.

Continuare a spingere i limiti

La connettomica rimarrà una componente importante del nuovo progetto di ricerca di Janelia, volto a comprendere come il cervello di un vertebrato produca comportamenti complessi.

Rubin è a capo di un progetto AI@HHMI per creare connettomi con annotazioni molecolari dei cervelli di mosche e pesci, che forniscano maggiori informazioni sui segnali trasmessi tra i neuroni.
I ricercatori di Janelia e i loro collaboratori stanno completando un connettoma dell’intero cervello della larva di pesce zebra, che includerà anche informazioni sull’attività neuronale durante il comportamento del pesce.
Un progetto AI@HHMI, guidato da Misha Ahrens, Senior Group Leader di Janelia, sta utilizzando questo connettoma e le registrazioni dell’attività cerebrale di larve di pesce zebra per creare modelli predittivi della funzione cerebrale.
Janelia sta iniziando a lavorare sul connettoma della Danionella adulta, una specie di pesce che rimane trasparente per tutta la vita.

Per Rubin, questi progetti rappresentano il logico passo successivo per Janelia. In meno di 20 anni, il campus di ricerca e i suoi collaboratori hanno dimostrato che la creazione di un connettoma per un cervello complesso è possibile e può fornire informazioni senza precedenti sul funzionamento del cervello.

“Per quanto mi riguarda, è da molto tempo che mi dedico a questo progetto, da più tempo di quanto abbia mai lavorato a qualsiasi altro obiettivo scientifico nella mia vita, e sono pronto a fermarmi e pensare a qualcos’altro“, afferma Rubin. “Ma con un immenso senso di orgoglio e soddisfazione per il gruppo di persone che abbiamo riunito qui e che ha reso possibile tutto questo.”

Cosa stanno imparando gli scienziati dal connettoma del sistema nervoso centrale

Sebbene i neuroni differenziati per sesso si concentrino nelle aree cerebrali superiori, i circuiti per la sensazione e il movimento sono in gran parte condivisi tra maschi e femmine. Gli “interruttori” dei circuiti reindirizzano i segnali sensoriali in arrivo verso percorsi comportamentali differenti: una probabile spiegazione di come lo stesso input possa innescare risposte diverse in maschi e femmine.
Un gruppo di circa 100 tipi di interneuroni specifici del sesso maschile forma una rete altamente interconnessa nel cervello centrale che coordina la maggior parte dei comportamenti specifici del sesso maschile.
Tracciando i segnali dall’occhio attraverso l’intero connettoma della mosca, si scopre che l’elaborazione visiva si estende in profondità nel cervello, coinvolgendo più della metà dei suoi tipi di neuroni. L’analisi fornisce previsioni funzionali per migliaia di tipi di neuroni fisiologicamente non caratterizzati: quali canali visivi li attivano, con quale intensità e da quale punto del campo visivo.
Una mappa completa del sistema gustativo della mosca, dai neuroni del gusto distribuiti su tutto il corpo ai neuroni motori che controllano l’alimentazione, mostra come i neuroni del gusto che trasmettono segnali di attrazione e quelli che trasmettono segnali di repulsione si connettano ai circuiti che controllano l’alimentazione, la locomozione, il rilascio di ormoni e il corteggiamento. Questa mappa potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere come gli stati interni, indipendentemente da stimoli esterni immediati, possano influenzare le decisioni guidate dal gusto.

Fonte: Cell