La mappa più dettagliata del cervello umano: ricostruzione di un millimetro cubo di corteccia cerebrale

La dottoranda Marta Arbizu Gómez analizza la mappa di un millimetro cubo di corteccia cerebrale con risoluzione nanometrica; un traguardo nella connettómica fondamentale per la riabilitazione cognitiva professionale.

I ricercatori hanno raggiunto un traguardo nella connettómica creando una delle mappe più dettagliate del cervello umano fino ad oggi. La scoperta di connessioni multisinaptiche “ultra-forti” e il rapporto glia-neurone di 2:1 ridefiniscono lo studio dei circuiti neuronali. Per gli esperti in neuroriabilitazione, questi dati sostengono programmi di stimolazione cognitiva più precisi e personalizzati.

Perché abbiamo bisogno di mappe dettagliate del cervello?

Comprendere come funziona il cervello umano è una delle sfide più grandi della neuroscienza. Sebbene sappiamo molto sull’organizzazione generale del cervello grazie a tecniche come la risonanza magnetica o l’imaging cerebrale funzionale, questi strumenti non permettono di osservare direttamente come si connettono i neuroni tra loro a livello microscopico.

Le funzioni cognitive —come la memoria, l’attenzione o l’apprendimento— emergono da reti complesse di neuroni connessi tramite milioni di sinapsi. Tuttavia, fino a poco tempo fa era estremamente difficile ricostruire queste reti con sufficiente dettaglio nel tessuto umano.

Uno studio pubblicato su Science nel 2024 compie un passo importante in questa direzione. I ricercatori sono riusciti a ricostruire con risoluzione nanometrica un frammento di corteccia cerebrale umana di circa un millimetro cubo, generando una delle mappe più dettagliate del cervello umano finora.

Questo lavoro costituisce un progresso chiave nel campo della connettómica, il cui obiettivo è mappare tutte le connessioni neuronali del cervello.

Come è stata condotta questa ricerca sul cervello umano?

Il tessuto cerebrale analizzato è stato ottenuto durante un intervento neurochirurgico per trattare l’epilessia. Sebbene il frammento sia piccolo —circa 1 mm³ di corteccia temporale— contiene un’enorme complessità strutturale.

Per studiare questo campione, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica seriale, una tecnica in grado di catturare immagini con risoluzione nanometrica. Il tessuto è stato tagliato in migliaia di sezioni ultrafini e successivamente ricostruito digitalmente.

In totale, lo studio ha generato:

• Più di 1.4 petabyte di dati di immagine.
• Approssimativamente 57.000 cellule identificate.
• Circa 150 milioni di sinapsi rilevate.

Questi dati sono stati analizzati mediante strumenti avanzati di apprendimento automatico e ricostruzione tridimensionale, che hanno permesso di identificare neuroni, cellule gliali, vasi sanguigni e connessioni sinaptiche all’interno del volume studiato.

La figura precedente illustra l’enorme complessità strutturale contenuta in un volume estremamente piccolo di corteccia cerebrale, il che evidenzia la sfida tecnica che comporta ricostruire circuiti neuronali umani a questa scala.

Cosa rivela la struttura microscopica della corteccia cerebrale?

L’analisi dettagliata ha permesso di descrivere come è organizzato il tessuto cerebrale a livello microscopico.

Nel volume studiato, il cosiddetto neuropilo —la rete di prolungamenti neuronali e gliali— era composto approssimativamente da:

• Assoni non mielinizzati: ~40 %
• Dendriti: ~26 %
• Processi gliali: ~15 %
• Corpi cellulari: ~9 %
• Assoni mielinizzati: ~7 %

Inoltre, i ricercatori hanno osservato che le cellule gliali superano in numero i neuroni in una proporzione vicina a 2:1, il che conferma il ruolo fondamentale di queste cellule nel funzionamento cerebrale.

Lo studio ha anche permesso di identificare i sei strati della corteccia cerebrale, ciascuno con caratteristiche cellulari specifiche.

Come sono organizzate le connessioni tra i neuroni?

Uno degli aspetti più interessanti del lavoro è l’analisi delle connessioni sinaptiche.

I ricercatori hanno identificato circa 150 milioni di sinapsi, che sono state classificate in:

• Sinapsi eccitatorie: ~67 %
• Sinapsi inibitorie: ~33 %

Inoltre, hanno osservato un modello caratteristico di organizzazione:

• Le sinapsi inibitorie si concentrano più frequentemente vicino al corpo cellulare.
• Le sinapsi eccitatorie compaiono principalmente nelle spine dendritiche.

Questa distribuzione riflette il equilibrio tra eccitazione e inibizione che consente il funzionamento stabile dei circuiti neuronali.

Nuovi tipi di organizzazione neuronale

Lo studio ha anche permesso di identificare caratteristiche strutturali poco descritte fino ad ora.

Ad esempio, i ricercatori hanno analizzato un tipo particolare di neuroni degli strati profondi della corteccia chiamati “neuroni triangolari”. Queste cellule presentano una grande dendrite basale orientata in direzioni specifiche.

Sorprendentemente, i neuroni si raggruppano in due orientamenti principali e simmetrici, il che suggerisce un’organizzazione strutturale precedentemente sconosciuta in questi strati corticali.

Questa scoperta potrebbe aiutare a comprendere meglio come si organizzano i circuiti nelle regioni profonde del cervello.

Connessioni sinaptiche sorprendentemente forti

Un’altra scoperta interessante riguarda la intensità delle connessioni neuronali.

Nella maggior parte dei casi, un assone stabilisce una singola sinapsi con un neurone bersaglio, che rappresenta circa il 96% delle connessioni.

Tuttavia, i ricercatori hanno trovato casi rari in cui lo stesso assone stabiliva molte sinapsi con lo stesso neurone, arrivando persino a oltre 50 connessioni tra lo stesso paio neuronale.

Questi risultati suggeriscono che i circuiti corticali combinano:

• molte connessioni deboli
• un numero ridotto di connessioni molto forti

Questo schema potrebbe essere fondamentale per la trasmissione efficiente delle informazioni nel cervello.

Quali implicazioni ha questa mappa cerebrale per le neuroscienze?

Questo studio dimostra che è possibile ricostruire circuiti neuronali umani con risoluzione sinaptica, qualcosa che fino a pochi anni fa sembrava tecnicamente irraggiungibile.

Inoltre, i ricercatori hanno reso pubblico l’insieme completo di dati e strumenti di analisi, permettendo ad altri scienziati di esplorare il tessuto cerebrale con un livello di dettaglio senza precedenti.

Man mano che verranno generate più mappe di questo tipo, sarà possibile:

• Comprendere meglio l’organizzazione dei circuiti cerebrali umani;
• studiare come cambiano queste connessioni nelle malattie neurologiche;
• e analizzare come l’esperienza e l’apprendimento modificano le reti neuronali.

In definitiva, questo lavoro rappresenta un passo importante verso una comprensione più profonda dell’architettura microscopica del cervello umano.

In che modo questo progresso si collega a NeuronUP?

Su NeuronUP vengono sviluppati strumenti digitali per la riabilitazione e stimolazione cognitiva basati su evidenze scientifiche.

La ricerca in connettómica fornisce una base fondamentale per comprendere come sono organizzati i circuiti neuronali che sostengono funzioni cognitive come la memoria, l’attenzione o le funzioni esecutive.

Man mano che comprenderemo meglio questi circuiti, sarà possibile:

• Progettare interventi cognitivi più mirati;
• identificare modelli di deterioramento neuronale nelle malattie neurodegenerative;
• e sviluppare strategie di riabilitazione più personalizzate.

Così, i progressi nella comprensione dell’architettura cerebrale integrano gli strumenti digitali di riabilitazione cognitiva, contribuendo a migliorare la qualità della vita delle persone con deterioramento cognitivo.

Conclusione

La ricostruzione di un millimetro cubo di corteccia cerebrale umana con risoluzione nanometrica costituisce una delle mappe più dettagliate del cervello mai ottenute.

Sebbene il volume analizzato sia piccolo, contiene un’enorme complessità strutturale: decine di migliaia di cellule e centinaia di milioni di connessioni che formano circuiti altamente organizzati.

Questo lavoro segna una pietra miliare nello studio della connettività cerebrale e apre nuove opportunità per comprendere come la struttura microscopica del cervello sostiene le nostre capacità cognitive.

Bibliografia

• Shapson-Coe A, Januszewski M, Berger DR, et al. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution. Science. 2024; doi:10.1126/science.adk4858.