Un nuovo atlante del cervello ne rivela le connessioni con un livello di dettaglio mai raggiunto in precedenza
Il cervello umano contiene un numero stimato di 86 miliardi di neuroni e un egual numero di cellule di supporto, disposti in reti e circuiti complessi, la cui architettura è ancora per lo più sconosciuta. Il progetto MULTICONNECT, finanziato dall’UE, ha cercato di fare luce sulla struttura cerebrale con l’impiego di tecniche per immagini all’avanguardia. In passato, il metodo più comune per studiare l’anatomia del cervello umano era il taglio di sezioni sottili dello spessore di circa 100 micron che venivano esaminate al microscopio, ma così facendo le strutture tridimensionali dell’organo risultano danneggiate e quindi oscurate. «Se prendiamo la corteccia, deve essere osservata su un campo visivo abbastanza ampio da avere una prospettiva della sua complessa struttura tridimensionale», spiega il coordinatore del progetto, Alard Roebroeck. «Intendiamo osservare il cervello con una modalità multiscala e multimodale al fine di avere una prospettiva misurata in centimetri ma, al tempo stesso, con una risoluzione a singole cellule».
Potenza elevata
A tal fine, Roebroeck e il suo gruppo, provenienti dall’unità di Imaging multiscala della connettività cerebrale del dipartimento di neuroscienze cognitive dell’Università di Maastricht, hanno prelevato pezzi estesi di tessuto neurale dai cadaveri, tra cui interi cervelli, le cui immagini sono state acquisite tramite uno scanner RMI con potenza ad altissimo campo. «Gli scanner RMI ospedalieri funzionano in genere a 1,5-3 tesla, con una risoluzione di circa 1 mm isotropa», afferma Roebroeck. «Abbiamo utilizzato fino a 9,4 tesla, per mezzo di bobine di radio frequenza appositamente realizzate e tempi superiori di acquisizione delle immagini, al fine di rappresentare l’intero cervello a 100 micron e anche meno». Questi dati sono stati poi abbinati alle immagini acquisite con la microscopia a foglio di luce. Questa tecnica illumina i campioni con un foglio piatto di luce laser, permettendo di ottenere immagini interne ai tessuti in sezioni ottiche sottili, senza alterarne la struttura tridimensionale e a una velocità di acquisizione estremamente elevata. Per conservare al massimo le strutture tridimensionali, Roebroeck ha utilizzato ampie sezioni di tessuto cerebrale, con uno spessore fino a 5 mm, rendendole prima trasparenti tramite la rimozione di materiali indesiderati quali i lipidi. Al fine di gestire campioni di tali dimensioni, pari a 8 cm quadrati e anche di più, è stato necessario progettare e realizzare un microscopio a foglio di luce su misura. Roebroeck e il suo gruppo sono stati in grado di visualizzare dettagli minimi, quali singoli strati, colonne e cellule del foglio corticale, anch’esso di spessore pari a soli 4 mm. «Siamo stati i primi ad acquisire queste immagini nel cervello intero con una risoluzione di 75 micron», aggiunge.
Elaborazione dei dati
Il progetto ha prodotto ingenti quantità di dati, alcuni dei quali contengono fino a 10 terabyte di informazioni per singolo campione. «Avanzando nel processo di acquisizione delle immagini si incontrano sempre sfide collaterali: servono nuovi modi per adattare, elaborare e approcciarsi a dati di dimensioni pari a migliaia di volte quelli a cui siamo abituati», osserva Roebroeck. Il lavoro è stato sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca. Le tecniche per immagini hanno già destato interesse per il loro potenziale in altri settori, quali l’analisi dei tumori in ambito patologico e il posizionamento degli impianti nella stimolazione cerebrale. I nuovi atlanti della struttura cerebrale saranno resi disponibili ad altri ricercatori. Per Roebroeck, un interrogativo centrale riguarda il modo in cui la microstruttura cerebrale definisce il tipo di calcoli eseguibili. «Stiamo iniziando a cambiare la concezione dell’attività di calcolo nel cervello. Oggi, conosciamo meglio i vincoli esistenti e i tipi di circuiti realizzabili in quelle cellule», afferma.
Parole chiave
MULTICONNECT, cervello, struttura, RMI, acquisizione delle immagini, tesla, foglio di luce, microscopia, risoluzione, terabyte, corteccia, foglio corticale
