Immagina una mappa con tutte le stelle della galassia. La mappa è così dettagliata che mostra come appare ogni stella, in cosa consiste, con quale altra stella è collegata dalle grandi leggi della fisica dello spazio. Sebbene non abbiamo ancora una mappa del cielo così astronomica, grazie a uno studio monumentale pubblicato la scorsa settimana su Neuron, abbiamo una mappa del cervello simile.
Se ogni neurone fosse una galassia, le sinapsi sono piccole strutture sparse in punti lungo i neuroni serpentini: queste sono stelle. Un team di scienziati dell'Università di Edimburgo nel Regno Unito ha costruito la prima mappa dettagliata di ciascuna sinapsi nel cervello del topo.
Mappa del cervello: la chiave del puzzle del pensiero
Usando topi geneticamente modificati, gli scienziati hanno letteralmente fatto illuminare ogni sinapsi sotto una luce fluorescente in tutto il cervello, come le stelle nel cielo. E, proprio come le stelle differiscono l'una dall'altra, gli scienziati hanno scoperto che le sinapsi sono molto diverse, ma si osservano schemi che possono supportare la memoria e il pensiero.
Mappe dettagliate hanno mostrato la legge fondamentale dell'attività cerebrale. Utilizzando l'apprendimento automatico, il team ha classificato i circa un miliardo di sinapsi nel cervello in 37 tipi di sinapsi. Ecco il punto: quando gruppi di neuroni ricevono informazioni elettriche, ad esempio scegliendo tra diverse soluzioni a un problema, i sottotipi unici di sinapsi sparsi tra i diversi neuroni brillano all'unanimità con l'attività.
In altre parole, le sinapsi sono di diversi tipi. E ogni tipo può controllare un pensiero, una decisione o un ricordo.
Video promozionale:
Non sorprende che i neuroscienziati abbiano reagito in modo molto positivo al lavoro.
"Wow", ha commentato Ben Sanders dell'Università del Minnesota.
È "un articolo straordinario che cataloga la diversità e la distribuzione dei sottotipi di sinapsi nel cervello del topo", scrive il neurogenetista Kevin Mitchell. Ciò "sottolinea il fatto che le sinapsi sono elementi informatici chiave del sistema nervoso".
Connetti il connectome
L'interesse degli scienziati per la creazione di un "sinaptomo" - il primo catalogo completo di sinapsi nel cervello del topo - derivava da un progetto molto più ampio: il connettoma.
In breve, un connettoma è tutte le connessioni neurali dentro di te. Come dice il Dr. Sebastian Sjung, il connettoma è la base biologica di chi sei: i tuoi ricordi, la tua personalità, i tuoi pensieri e il tuo ragionamento. Prendi un connettoma e un giorno gli scienziati saranno in grado di ricostruirti emulando un intero cervello.
Eppure, il connettoma descrive solo come i neuroni parlano funzionalmente tra loro. Dove è fisicamente codificato nel cervello.
È qui che entrano in gioco le sinapsi. I neuroscienziati sanno da tempo che le sinapsi trasmettono informazioni tra i neuroni utilizzando sostanze chimiche ed elettricità. Ci sono stati anche indizi che le sinapsi differiscono notevolmente a seconda delle proteine che contengono, ma questa distinzione è stata solitamente ignorata. Fino a poco tempo, la maggior parte degli scienziati credeva che i calcoli reali avessero luogo nel corpo neurale, la parte bulbosa del neurone da cui emergono i rami.
Fino ad ora, non c'era modo di guardare la morfologia e la funzione delle sinapsi in tutto il cervello, spiegano gli autori. Di solito ci siamo concentrati sulla mappatura di questi importanti punti di connessione in piccole aree.
E se è così, i futuri emulatori del cervello troveranno finalmente un punto d'appoggio.
Mappa del sinaptomo
Per costruire un sinaptomo di topo, gli autori hanno ideato un piano chiamato SYNMAP. Hanno iniziato con topi geneticamente modificati, le cui sinapsi brillavano di colori diversi. Ogni sinapsi è densamente imballata con diverse proteine, tra cui PSD-95 e SAP102 sono i gentiluomini più famosi. Non lasciarti intimidire dai nomi. Gli autori hanno aggiunto loro proteine luminose, che hanno agito come torce elettriche, illuminando ogni sinapsi nel cervello.
In generale, gli scienziati hanno prima alterato la biologia del topo facendo brillare le sue sinapsi sotto una luce fluorescente.
Hanno quindi tagliato faticosamente il cervello in pezzi, hanno usato un microscopio per scattare foto di sinapsi in diverse aree del cervello e hanno messo insieme le immagini.
L'immagine sinaptica ricorda all'occhio inesperto una mappa stellare fitta, come quella che Hubble ha recentemente filmato. La categorizzazione di ogni sinapsi va oltre l'abilità (e la tempistica) di qualsiasi persona, quindi gli scienziati hanno utilizzato nuovi metodi di classificazione utilizzando l'apprendimento automatico e sviluppato un algoritmo che analizza questi dati - più di 10 terabyte - automaticamente, senza la necessità di supervisione.
Connectoma fisico
In un primo momento, gli scienziati furono colpiti dagli "schemi espressivi" delle sinapsi splendenti. Una proteina etichettata - PSD-95 - sembrava essere appesa nelle parti più distanti del cervello, dove si svolgono le funzioni cognitive superiori. Sebbene le regioni si sovrappongano, un'altra proteina luminosa ha preferito più regioni del cervello interne.
A un esame più attento, si è scoperto che le due proteine luminose rappresentano diversi gruppi di sinapsi, hanno spiegato gli autori. Ogni area del cervello ha una caratteristica "firma sinaptica". Come le impronte digitali, che differiscono per forma e dimensione, diverse regioni del cervello sembrano contenere sinapsi che differiscono per composizione, dimensione e numero di proteine.
Utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico appositamente progettato, gli scienziati hanno classificato le sinapsi in 37 sottotipi. Sorprendentemente, le regioni del cervello associate a capacità di ragionamento e pensiero superiori contenevano anche la popolazione più diversificata di sinapsi, mentre le "regioni del cervello rettile" erano più omogenee nel contenuto sinaptico.
Per vedere se la diversità delle sinapsi aiuta nell'elaborazione delle informazioni, gli scienziati hanno utilizzato simulazioni al computer per mostrare come le sinapsi rispondono ai normali circuiti elettrici nell'ippocampo, un'area del cervello importante per l'apprendimento e la memoria. L'ippocampo è una delle aree che mostrano una sorprendente diversità nei sottotipi di sinapsi.
È importante sottolineare che ogni tipo di elaborazione delle informazioni elettriche viene trasmesso a una mappa sinaptomica unica: cambia l'input, il sinaptomo cambierà.
Ciò suggerisce che il cervello può elaborare più informazioni elettriche utilizzando un'area del cervello perché sono coinvolte diverse sinaptosi.
Gli scienziati hanno trovato risultati simili quando hanno registrato i circuiti elettrici del cervello dei topi che cercavano di scegliere tra tre opzioni di ricompensa. Vari sinaptomi sono stati attivati quando la scelta era giusta o sbagliata. Come una mappa del pensiero interiore, i sinaptomi hanno dipinto un'immagine vivida di ciò che stava pensando il topo quando faceva una scelta.
Ogni comportamento attiva un sinaptomo separato. Ogni sinaptomo è un cast unico del processo di pensiero.
Riprogrammazione del sinaptomo
Come il codice del computer, il sinaptomo sembra essere alla base di un risultato computazionale: una decisione o un pensiero. E se cambio questo codice?
Le malattie psichiatriche hanno spesso cause genetiche che colpiscono le proteine nella sinapsi. Utilizzando topi che mostravano sintomi simili alla schizofrenia o all'autismo, gli scienziati hanno mappato le loro sinapsi e hanno scoperto cambiamenti drammatici nel modo in cui i diversi sottotipi sinaptici nel cervello sono strutturati e collegati.
Ad esempio, in risposta ai normali circuiti elettrici nel cervello, alcune mappe sinaptiche erano deboli, mentre altre diventavano anormalmente forti nei topi mutanti. Le mutazioni possono modificare il sinaptoma e potenzialmente portare a disturbi psichiatrici. Cioè, alcune malattie psichiatriche "riprogrammano" il sinaptomo. Mappe sinaptiche più forti o semplicemente nuove possono essere la ragione per cui i pazienti schizofrenici sperimentano deliri e allucinazioni.
Quindi sei il tuo sinaptoma?
Può essere. L'essenza di te - ricordi, pensieri - sembra essere impressa nel modo in cui le diverse sinapsi vengono attivate in risposta a input. Come un'impronta digitale, il sinaptomo potrebbe essere letto per decifrare ciò che stai pensando. Tuttavia, questa ricerca è solo l'inizio. I neuroscienziati devono ancora analizzare le complesse connessioni tra te e le sinapsi.
Ilya Khel
