• Friday July 19,2019

Visualizzazione dei collegamenti del cervello

Anonim

Il cervello umano è un posto affollato. Contiene circa 100 miliardi di neuroni, collegati l'un l'altro da un milione di miliardi di sinapsi. Il neuroscienziato Olaf Sporns dell'Università dell'Indiana, il biologo cellulare Jeff Lichtman di Harvard e il neuroscienziato computazionale Sebastian Seung del MIT stanno mappando queste connessioni, con lo scopo di creare un "connectome" di un intero cervello.

Ogni neurone può essere pensato come un decisore cellulare: riceve una moltitudine di segnali e decide quali trasmettere e quali scartare. Capire le interazioni di tutti questi decisori porterebbe i ricercatori più vicino a creare modelli di come percepiamo ciò che ci circonda e memorizziamo i ricordi. "Una delle più grandi ipotesi nelle neuroscienze è l'idea che i ricordi siano memorizzati nelle connessioni tra i neuroni", afferma Seung. Con un connectome, i singoli ricordi possono essere letti dalle connessioni neurali.

Per affrontare una sfida così vasta, Sporns traccia i principali percorsi che collegano diverse regioni della corteccia umana. Lavorando con i topi, Lichtman e Seung immaginano un neurone alla volta. Finora, solo il basso nematode ha avuto il suo sistema nervoso completamente mappato, e ha solo 300 neuroni - un villaggio neurologico rispetto alla megalopoli massiccia del cervello umano.


Ju Lu e Jeff Lichtman (Harvard)

Come collegare un orecchio

Per tracciare i singoli neuroni, Jeff Lichtman di Harvard usa topi ingegnerizzati il ​​cui DNA include i geni delle meduse in modo che le cellule contengano proteine ​​fluorescenti. Sotto la luce blu, i neuroni diventano verdi e il software del computer assegna a ciascuno dei 200 neuroni verdi un colore diverso. L'albero dei neuroni a destra trasporta segnali che controllano un muscolo che collega il cranio all'orecchio. Le fibre muscolari individuali appaiono come fasci sulle punte. Confrontando il modo in cui questo semplice percorso neurale cambia tra i topi piccoli e quelli adulti fa luce su come il cervello si ricollega nel tempo, dice Lichtman.

D. Berger e S. Seung (MIT), N. Kasthuri, K. Hayworth, J. Tapia, R. Schalek e J. Lichtman (Harvard)

Quattro modi di vedere un cervello

Per creare questi cubi, Sebastian Seung del MIT e Daniel Berger, un postdoc nel suo laboratorio, hanno rasato 256 fette microscopicamente sottili dallo strato più esterno del cervello di un topo. Ogni fetta è stata ripresa sotto un microscopio elettronico; le immagini digitali sono state quindi impilate per costruire una rappresentazione tridimensionale della regione affettata (in alto a sinistra). In realtà il cubo è largo solo sei millesimi di millimetro. Ogni cellula dell'immagine (entrambi i neuroni e le cellule di supporto conosciute come glia) era codificata a colori a mano, un processo che richiedeva 150 ore. Per visualizzare gli elementi che formano neuroni-assoni, dendriti e corpi cellulari-Seung e Berger hanno usato un computer per disegnare superfici tridimensionali attorno alle strutture neurali trovate nel cubo. L'immagine in basso a destra mostra solo i contorni dei neuroni, con le cellule gliali rimosse; il cubo in basso a sinistra visualizza tutti gli assoni, le parti dei neuroni che trasmettono i segnali. Il cubo in alto a destra mostra solo i dendriti, le porzioni di neuroni che ricevono il segnale. Insieme le immagini danno un senso di come il sistema nervoso alloca lo spazio tra cellule gliali, assoni e dendriti.

D. Berger e S. Seung (MIT), N. Kasthuri, K. Hayworth, J. Tapia, R. Schalek e J. Lichtman (Harvard)

L'orbita neuronale

Qui, tre neuroni del mouse sono colorati di un colore diverso, in modo che le superfici dei loro corpi cellulari, dendriti e assoni siano visibili. La "base" grigia è l'immagine del microscopio elettronico grezzo. Alla fine, Seung spera di addestrare i sistemi di computer, utilizzando l'intelligenza artificiale, per creare automaticamente immagini come questa, accelerando il noioso processo di mappatura di un connettoma. L'aggiunta alla sfida, dice Seung, è il fatto che il connettoma di un individuo cambia nel tempo mentre i neuroni sviluppano nuovi rami e potano i vecchi in risposta alle esperienze.

V. Jain, JF Murray, S. Seung e S. Turaga (MIT), K. Briggman, M. Helmstaedter e W. Denk (Max Planck Institute)

Vedere Struttura

Viren Jain, un postdoc nel laboratorio del MIT di Seung, con l'aiuto di ricercatori del Max Planck Institute for Medical Research di Heidelberg, in Germania, ha mappato i neuroni nella retina di un coniglio. Ogni colore rappresenta un neurone distinto. I neuroni erano tracciati da una vasta serie di immagini monocromatiche della retina del coniglio scattate con un microscopio elettronico, come le immagini in bianco e nero su entrambi i lati del groviglio neuronale.

Olaf Sporns (Indiana University)

Un nuovo percorso

Olaf Sporns of Indiana University mappa i principali percorsi che collegano le regioni del cervello umano. Egli utilizza una tecnica chiamata imaging a spettro di diffusione, che traccia connessioni neurali seguendo molecole di acqua mentre si diffondono lungo gli assoni. Le 5.000 linee blu in questa immagine rappresentano fasci di assoni e i 1000 punti rossi sono sinapsi in cui gli assoni si incontrano. Sporns sostiene che nonostante l'evidente groviglio di percorsi, il cervello potrebbe essere molto più complicato. "Esiste solo una piccola percentuale delle connessioni che possono esistere nel cervello", afferma.


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