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
Neuroni in un frammento di corteccia cerebrale (credit: Google Research & Lichtman Lab, Università di Harvard; rendering di D. Berger, Università di Harvard
Potrebbe sembrare un prato fiorito, un paesaggio onirico. Ma anche un'opera d'arte estremamente complessa. E in fondo l'immagine qui sopra è davvero un'opera d'arte incredibile: si tratta di un millimetro cubo di cervello umano ingrandito all'inverosimile.
Mezzo chicco di riso
Il lavoro è di un team congiunto di ricercatori di Google e neuroscienziati dell'Università di Harvard, che hanno combinato l'imaging cerebrale con l'elaborazione e l'analisi delle immagini basate sull'intelligenza artificiale, ricostruendo le cellule e le connessioni all'interno di un volume di tessuto cerebrale grande quanto mezzo chicco di riso. È una visione senza precedenti del cervello umano, che potrebbe aiutare a comprendere meglio i disturbi neurologici e a rispondere a domande fondamentali sul funzionamento della nostra «materia grigia». Le sei immagini ottenute dai ricercatori, pubblicare su Science e Nature, sono state messe a disposizione della comunità scientifica.
Oltre 50mila cellule
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.
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)
Intelligenza artificiale
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 sinapsi del cervello di questa donna, per poi zoomare su altri milioni di pixel - ha raccontato Jain -. È stata una specie di sensazione spirituale».
La corteccia cerebrale ha sei strati, visibili in questa immagine (credit: Google Research & Lichtman Lab, Università di Harvard; rendering di D. Berger, Università di Harvard)
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.
Un neurone (bianco) riceve segnali dagli assoni che possono «dirgli» di accendersi (in verde) e quelli che possono «dirgli» di non farlo, in blu (credit: Google Research & Lichtman Lab, Università di Harvard; rendering di D. Berger, Università di Harvard)
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 i punti percentuali rispetto alle 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 umano.