Il connettoma completo del moscerino maschio: mappati 166.691 neuroni

Un connettoma completo non è semplicemente l’immagine di un cervello: è uno schema di cablaggio cellulare che mostra come sono connessi i neuroni. La nuova risorsa dedicata a un maschio adulto di Drosophila mappa come un unico sistema il cervello centrale, i lobi ottici e il cordone nervoso ventrale. Comprende 166.691 neuroni integralmente revisionati, 11.691 tipi cellulari annotati e 125 milioni di connessioni sinaptiche. 25

Il passo avanti: un sistema nervoso connesso dall’inizio alla fine

I precedenti set di dati sul moscerino avevano già dimostrato che la connettomica dell’intero cervello fosse possibile. Il connettoma pubblicato del cervello di una femmina adulta, per esempio, aveva ricostruito 139.255 neuroni e circa 50 milioni di sinapsi chimiche. 7

La mappa maschile amplia il quadro in due aspetti cruciali. Innanzitutto contiene più neuroni. Inoltre include il cordone nervoso ventrale — la struttura dell’insetto spesso paragonata al midollo spinale — mantenendo intatta la connessione del collo con il cervello. I ricercatori possono quindi seguire i circuiti dall’elaborazione sensoriale e dai centri cerebrali superiori fino alle vie coinvolte nel movimento e nel comportamento, anziché analizzare cervello e cordone nervoso come mappe separate. 2

Come è stata resa utilizzabile una ricostruzione enorme

Il risultato conclude quasi vent’anni di lavoro di Janelia e dei suoi collaboratori, fra cui ricercatori di Google Research, del MRC Laboratory of Molecular Biology e dell’Università di Cambridge.

Non è stato un singolo strumento a rendere possibile il progetto, ma un flusso di lavoro integrato:

• Microscopia elettronica, usata per produrre immagini con dettaglio sufficiente a distinguere neuroni e connessioni sinaptiche. Il programma FlyEM fonda proprio sulla microscopia elettronica la mappatura di neuroni e sinapsi nell’intero sistema nervoso di Drosophila. 8
• Calcolo assistito dall’IA, che ha trasformato i dati di immagine in ricostruzioni cellulari candidate e ha consentito di lavorare a una scala irraggiungibile con il solo tracciamento manuale. Google descrive la collaborazione come un partenariato decennale che impiega calcolo e IA per costruire mappe di interi cervelli su scala cellulare.
• Revisione e annotazione umane, indispensabili per convertire l’output computazionale in una risorsa scientifica finita. Il set di dati finale è definito completamente revisionato e annotato in modo esteso: una differenza decisiva rispetto a una ricostruzione automatica non verificata. 25
• Classificazione dei tipi cellulari e marcatori molecolari, che rendono interpretabile lo schema di connessioni. L’atlante include annotazioni relative ai geni della determinazione sessuale fruitless e doublesex. 5

In pratica, l’IA ha reso affrontabile la scala del lavoro; la verifica di esperti ha reso la mappa abbastanza affidabile da poter essere impiegata per rispondere a domande biologiche.

Cosa può rivelare il confronto tra maschi e femmine

Affiancare una mappa completa del sistema nervoso centrale maschile al precedente connettoma del cervello femminile consente confronti diretti con risoluzione sinaptica. Lo studio ha messo in corrispondenza 7.319 tipi cellulari nel cervello centrale: 7.205 tipi isomorfici, 114 dimorfici, 262 specifici del maschio e 69 specifici della femmina. 5

Questo confronto permette di distinguere due possibilità che i soli studi comportamentali spesso non separano: un comportamento può dipendere da un tipo di neurone presente in un solo sesso, oppure da un tipo presente in entrambi ma collegato in modo diverso. Le annotazioni di fruitless e doublesex aggiungono un riferimento molecolare per indagare i circuiti sessualmente dimorfici. 56

Dal gusto alle decisioni alimentari

Il valore di una mappa dell’intero sistema nervoso emerge soprattutto quando viene abbinata a esperimenti funzionali. Una ricerca che ha combinato il connettoma dell’intero cervello con l’imaging del calcio ha rilevato che molti neuroni che rispondono precocemente al gusto nella zona subesofagea codificano una singola modalità gustativa; fra questi vi sono interneuroni locali e neuroni di proiezione.

Un’analisi connettomica collegata ha mostrato che, in questa regione, i neuroni gustativi di secondo ordine sono in gran parte separati in base alla modalità gustativa. Quelli di terzo ordine si proiettano più ampiamente al di fuori della regione e mostrano maggiore sovrapposizione fra modalità: un’organizzazione che potrebbe contribuire a trasformare i segnali del gusto in decisioni legate all’alimentazione.

Un rapporto associato descrive anche il tracciamento dei segnali gustativi fino alle vie motorie coinvolte nell’alimentazione e individua percorsi che potrebbero spiegare un rilascio anticipatorio di insulina prima dell’assorbimento dei nutrienti. Le fonti disponibili sostengono questa interpretazione come possibile spiegazione a livello di circuito, non come meccanismo definitivo della segnalazione insulinica.

Cosa insegna la mappa, e cosa non dice, sui cervelli più grandi

Il connettoma del maschio offre un modello operativo per la connettomica: imaging ad alta risoluzione, ricostruzione automatizzata scalabile, revisione rigorosa, annotazioni standardizzate e strumenti che permettono ad altri scienziati di interrogare e riutilizzare i dati. La risorsa è disponibile sia per l’esplorazione interattiva sia per l’accesso programmatico. 1

Non significa però che un connettoma completo di topo o di essere umano sia ormai vicino. Cervelli più grandi pongono problemi molto più impegnativi per volume di tessuto, acquisizione delle immagini, ricostruzione, archiviazione, capacità di calcolo e controllo della qualità. Il lavoro sul moscerino rappresenta tuttavia un banco di prova concreto e severo per la filiera necessaria ai progetti futuri, inclusi i sistemi in cui anatomia, attività neurale e comportamento possono essere studiati insieme.

Il progresso più duraturo, per le neuroscienze, non è soltanto un numero record di neuroni. È una mappa verificata e consultabile che collega cervello e cordone nervoso nello stesso animale, offrendo un riferimento comune per testare come il cablaggio neurale produca comportamenti sessualmente specifici, decisioni sensoriali e movimento. 25