The female larval fly CNS connectome: first draft

Per capire come un animale pensa o si muove, gli scienziati spesso osservano il diagramma del cablaggio del suo cervello, noto come connettoma. Questa mappa mostra ogni singolo neurone e le specifiche connessioni, o sinapsi, dove comunicano tra loro. Proprio come due persone della stessa età e dello stesso background possano avere una grafia diversa o modi distinti di risolvere un problema, anche animali geneticamente identici possono avere un cablaggio cerebrale leggermente differente. Per scoprire quali parti di un cervello siano flessibili e quali rigide, i ricercatori devono mappare i cervelli di molti individui per vedere quanto varino. Per molto tempo, creare queste mappe è stato incredibilmente difficile perché le strutture sono microscopiche e i dati richiesti sono massicci. La mosca della frutta, Drosophila melanogaster, è da tempo un soggetto preferito per questo tipo di lavoro perché il suo sistema nervoso è abbastanza piccolo da essere gestibile, ma sufficientemente complesso da essere interessante. Mentre gli scienziati hanno già mappato parti del cervello della mosca adulta, lo stadio larvale — la piccola forma simile a un verme che emerge dall'uovo — è rimasto in gran parte un territorio inesplorato, nonostante sia un momento crucialo in cui il cervello impara a controllare il corpo.

Un team di ricercatori ha ora rilasciato il primo diagramma di cablaggio completo, sebbene ancora approssimativo, dell'intero sistema nervoso centrale di una larva di mosca della frutta femmina. Chiamano questo set di dati "Octo". Utilizzando un potente tipo di microscopio elettronico che seziona il tessuto con estrema precisione, hanno catturato un'immagine tridimensionale dell'intero cervello e della corda nervosa della larva. L'immagine risultante è un blocco di dati enorme, privo dei vuoti e delle distorsioni che spesso affliggono tali progetti. Da questa immagine grezza, il team ha utilizzato l'intelligenza artificiale per tracciare automaticamente i percorsi dei neuroni, localizzare i piccoli motori interni chiamati mitocondri, identificare le cellule gliali di supporto e prevedere dove i neuroni si connettono tra loro. Questo lavoro fornisce la prima visione completa del sistema nervoso centrale di una larva di mosca, offrendo una base per studi futuri che confronteranno molti individui per capire come i circuiti cerebrali varino e come tali variazioni possano portare a diversi comportamenti.

I ricercatori hanno iniziato preparando una singola larva femmina e immaginandola con una microscopia elettronica a scansione a fascio ionico focalizzato potenziata. Questa tecnica ha permesso loro di vedere il tessuto a una risoluzione di 8 nanometri in ogni direzione, catturando dettagli piccoli come le membrane che separano le cellule. Il volume dell'immagine finale è enorme, contenente miliardi di minuscoli pixel 3D che rappresentano uno spazio fisico grande circa quanto un granello di sabbia. Per dare un senso a questi dati, il team ha applicato una serie di programmi informatici progettati per riconoscere schemi. Hanno generato tre diverse versioni della mappa dei neuroni. Una versione copre l'intero sistema nervoso, inclusi i corpi cellulari dove nascono i neuroni e le lunghe fibre che trasportano i segnali. Altre due versioni si concentrano specificamente sulla densa matassa di connessioni al centro del cervello, nota come neuropilo. Confrontando le mappe generate dal computer con un piccolo numero di neuroni che esperti umani avevano controllato accuratamente a mano, il team ha scoperto che la mappa più completa, creata utilizzando un metodo chiamato "Flood-Filling Networks", era la più accurata nel mantenere integri i singoli neuroni senza dividerli accidentalmente o fondere due neuroni diversi in uno solo.

Oltre a tracciare i fili, il team ha anche mappato la posizione delle sinapsi, le minuscole giunzioni dove un neurone trasmette un segimento a un altro. Hanno addestrato un modello informatico su alcune piccole sezioni del cervello annotate manualmente, dove gli scienziati avevano identificato meticolosamente centinaia di connessioni. Una volta che il modello ha imparato che aspetto ha una sinapsi in questo specifico tipo di immagine, ha scansionato l'intero sistema nervoso e ha predetto oltre 3,5 milioni di potenziali connessioni. Sebbene queste previsioni non siano ancora perfette e richiedano la verifica umana, esse forniscono una prima bozza dell'intera rete di comunicazione. Il team ha anche mappato i mitocondri, che sono gli organelli produttori di energia all'interno delle cellule, e le cellule gliali, che avvolgono e supportano i neuroni. Queste mappe aggiuntive sono importanti perché la forma e la posizione dei mitocondri possono aiutare gli scienziati a verificare se un neurone è intatto, e le cellule gliali forniscono il contesto per come il cervello è organizzato.

Gli autori sono chiari nell'affermare che questo rilascio è un punto di partenza, non un prodotto finito. Le mappe attuali sono ampiamente non revisionate, il che significa che, sebbene il computer abbia svolto il lavoro pesante di tracciamento delle strutture, un essere umano non ha ancora controllato ogni singola linea per errori. Correggere l'intero set di dati a mano richiederebbe decenni di lavoro, quindi il team spera che il loro rilascio ispiri lo sviluppo di migliori strumenti informatici che possano utilizzare la conoscenza biologica per correggere automaticamente gli errori. Ad esempio, sapere che i mitocondri si trovano solitamente vicino all'inizio di una connessione potrebbe aiutare un programma informatico a decidere se un collegamento rilevato sia reale o un errore. Nonostante queste limitazioni, il dataset è una pietra miliare significativa. È la prima volta che l'intero sistema nervoso centrale di una larva di mosca viene ricostruito in un unico pezzo, ed è la seconda volta che viene mappato completamente il cervello di una femmina al primo stadio. Rendendo pubblici tutti i dati grezzi, le mappe generate dal computer e gli strumenti software, i ricercatori hanno consegnato alla comunità scientifica una nuova, potente risorsa. Ciò consente ad altri scienziati di iniziare a esplorare come il cervello di una larva controlla il proprio corpo, come le informazioni sensoriali limitino il movimento e come il cablaggio dei singoli esemplari di mosca differisca l'uno dall'altro, aprendo la strada a una comprensione più profonda di come i circuiti neurali evolvano e funzionino.