Gli scienziati hanno tracciato tutte le 54,5 milioni di connessioni nel cervello di una mosca della frutta.

Nel cervello di una singola mosca della frutta, le cellule nervose si intrecciano tra loro, consentendo il volo, l'accoppiamento, il cibo, il sonno e ogni altra attività della sua vita da mosca. Ora, in nove studi pubblicati il 2 ottobre su Nature, gli scienziati riportano la prima mappa completa delle sue cellule nervose - tutte e 139.255 di loro, per essere precisi - e i loro 54,5 milioni di connessioni.

Questa mappa del cervello intero, tracciata con pazienza nel corso degli anni, è piccola ma squisita: contiene 149,2 metri di fili neurali, tutti accuratamente confezionati in un cervello grande quanto un seme di papavero. Pertanto, questa mappa mostra come l'informazione neurale potrebbe fluire tra le cellule di Drosophila melanogaster, un animale più semplice di un essere umano ma abbastanza complesso da rimanere misterioso per coloro che cercano di capire il suo cervello.

“Questo lavoro è assolutamente affascinante”, dice il neuroscienziato Olaf Sporns dell'Università dell'Indiana a Bloomington. Nel 2005, lui e i suoi colleghi hanno coniato il termine "connectome", una contabilità delle connessioni tra le cellule nervose, o neuroni. Negli quasi 20 anni trascorsi da allora, gli scienziati hanno mappato più connectomi, tra cui quelli di vermi maschi ed ermafroditi C. elegans, una mosca della frutta larvale, piccole parti di cervello di topo e umano e parte del cervello di una mosca adulta. Questo ultimo connectome della mosca della frutta è il più grande del suo genere.

“Quando la connectomica ha preso piede, creare una mappa come quella presentata in questo lavoro sembrava quasi fantascienza”, dice Sporns. “E ora, incredibilmente, eccola qui”.

Il progetto ha coinvolto immagini di microscopia elettronica di oltre 7.000 fette sottili del cervello di una mosca della frutta femmina e l'apprendimento automatico che ha allineato i complessi filamenti di neuroni, tracciando le cellule attraverso diverse fette. L'apprendimento automatico ha avvicinato i ricercatori alla realizzazione del connectome completo. “Ma gli umani sono ancora necessari per correggere gli errori”, dice Sven Dorkenwald, un neuroscienziato computazionale che ha lavorato al progetto presso l'Università di Princeton e che ora è presso l'Istituto Allen per le Scienze del Cervello e l'Università di Washington a Seattle. Centinaia di persone provenienti da oltre 50 laboratori hanno revisionato la mappa con gli occhi umani, garantendo che le forme delle cellule fossero come sembravano essere. È stato un grande lavoro, dall'inizio alla fine.

“Pensavamo che ci sarebbe voluto tanto tempo, quasi 20 anni dopo avremmo avuto il connectome della mosca? Probabilmente no”, dice Sebastian Seung, un neuroscienziato computazionale all'Università di Princeton. “Ma le persone eccessivamente ottimiste fanno progredire”.

Nei primi giorni, lavorare su una mappa del connectome “era un'idea controcorrente”, dice Seung. “La maggior parte delle persone pensava che fosse pazzesco. C'erano due obiezioni. Una è che non era possibile, e la seconda è che anche se avessi successo, i dati sarebbero stati inutili”.

Ma già i dati hanno dimostrato la loro utilità, rivelando dettagli cellulari e suggerimenti interessanti su come funzionano i cervelli. Ad esempio, ci sono solo due neuroni CT1 nell'intero cervello della mosca, ognuno dei quali è coinvolto nella percezione dei cambiamenti di luce e movimento. Ogni neurone si estende su un intero occhio e forma un numero enorme di sinapsi - più di 148.000, mostra la mappa.

Un'altra analisi ha classificato alcune cellule nervose in classi chiamate “integratori”, che ricevono un gran numero di messaggi da altre cellule, o “trasmittenti”, che inviano segnali a un vasto pubblico. Queste cellule megafono potrebbero aiutare a diffondere i segnali, ma in modo selettivo.

E ora che il connectome è stato mappato, gli scienziati hanno iniziato a costruire modelli computerizzati su come l'informazione fluisce nel cervello. “Si parte con le connessioni tra i neuroni, e si usa ciò per aiutare a costruire una simulazione di una rete”, dice Seung. “È un approccio completamente ovvio ma non potresti farlo se non avessi il connectome”.

Uno studio recente, ad esempio, mostra come i neuroni del gusto possano attivare altre cellule a valle. E questo è solo l'inizio, dice Seung. “Il mio scherzo per gli appassionati di fantascienza è che una mosca è stata sacrificata per questo esperimento, ma questa mosca potrebbe vivere per sempre in una simulazione”.

Anche Sporns guarda al futuro: “Prevedo un futuro in cui le mappe connectome diventeranno ancora più esaustive e dettagliate, presto per includere cervelli di vertebrati come topo e umano”, dice. Queste mappe aiuteranno a rispondere a grandi quesiti sui connectome cerebrali - se sono variabili tra gli individui, se cambiano nel tempo e se possono aiutare a prevedere i comportamenti.