Gli scienziati hanno appena svelato la mappa più completa della corteccia delle scimmie

Un team internazionale guidato da scienziati cinesi ha appena costruito l'atlante più completo della corteccia di macaco fino ad oggi. Lo strato più esterno del cervello, la corteccia, ospita molte delle nostre preziose funzioni cognitive: la capacità di ragionare, prendere decisioni e adattarsi al volo ad ambienti in continua evoluzione.

Rispetto ad altri animali, i primati, compresi gli esseri umani, hanno una corteccia enormemente espansa. Gli scienziati hanno a lungo pensato che questa stranezza evolutiva sia ciò che dà al nostro cervello la capacità di gestire calcoli complessi.

Ma come?

Il segreto potrebbe essere nascosto nei molti tipi di cellule della corteccia e nel modo in cui si organizzano. Un tema chiave in biologia è "la struttura determina la funzione". Come costruire un computer da zero, ogni componente e il suo posizionamento e cablaggio possono alterare le prestazioni.

Catalogare la posizione precisa di ogni cellula nella corteccia delle scimmie potrebbe aiutare a decodificare, e forse ricreare digitalmente, le regole che rendono la corteccia dei primati una potenza computazionale.

Lo studio, pubblicato in Cella, ha anche attinto a uno strumento relativamente nuovo per la mappatura del cervello. Chiamato Sequenza stereo, la tecnologia estrae le informazioni genetiche, il trascrittoma, da più cellule contemporaneamente, aggiungendo un nuovo livello di dati alla posizione di ciascuna cellula.

Il team ha creato un'impronta digitale molecolare per ogni cellula registrando l'attività di circa 500 geni. Quindi, grazie a una forte dose di intelligenza artificiale, hanno classificato quasi 1.5 milioni di cellule di 143 regioni in tipi cellulari distinti e hanno mappato la loro posizione nella corteccia.

Il progetto ha già prodotto alcuni spunti. Le cellule cerebrali tendono ad agire in cricche. Alcuni tipi preferiscono la compagnia di certe altre cellule, suggerendo che formino reti neurali locali. Anche i neuroni che accelerano o smorzano l'attività cerebrale complessiva hanno punti preferiti, con il loro numero che cambia tra le regioni corticali e la profondità.

Inoltre, rispetto a un atlante del cervello di topo, la nuova mappa ha trovato diversi tipi di cellule specifici dei primati rannicchiati insieme in uno strato della corteccia.

"La composizione cellulare del cervello e la sua distribuzione spaziale sono le questioni fondamentali della scienza del cervello, e la sua importanza è simile alla sequenza di basi del DNA scoperta dal sequenziamento del genoma umano", disse autore dello studio Dr. Chengyu Li presso l'Accademia cinese delle scienze. La corteccia cerebrale del macaco è come la nostra e questo studio offre la mappa più completa del suo genere.

Un'enigmatica torta neurale

La corteccia è un'elaborata struttura a sei strati ricca di diversi tipi di neuroni e altre cellule cerebrali.

I neuroni sono solitamente i protagonisti dello spettacolo: queste cellule attivate elettricamente si connettono a reti neurali per elaborare le informazioni. I due tipi principali aiutano a bilanciare il livello di attività generale del cervello. Le cellule glutamatergiche sono eccitatorie, accelerando il calcolo del cervello. Le cellule GABAergiche sono inibitorie, abbassando l'attività di rete.

Le cellule non neurali completano il quadro. Alcuni aiutano a proteggere il cervello dalle infezioni. Altri supportano il metabolismo neurale e ripuliscono i rifiuti molecolari. Non sono personaggi secondari: studi recenti dimostrano che svolgono un ruolo fondamentale nella formazione delle reti neurali nelle prime fasi dello sviluppo e nella lotta contro i disturbi neurodegenerativi come l'Alzheimer.

Il nuovo studio si è concentrato principalmente su queste cellule cerebrali.

Affettare e Tagliare a Dadini

Il team ha analizzato il cervello di tre macachi maschi adulti. Con oltre sei miliardi di cellule, il loro cervello è evolutivamente vicino al nostro.

Per iniziare, il team ha affettato con cura il cervello dalla parte anteriore a quella posteriore con diversi tagli esperti. Uno, più o meno dello spessore della carta per stampante, è stato utilizzato per sequenziare il profilo genetico di ciascuna cellula.

Altre fette, adiacenti ai blocchi più spessi per mantenere l'integrità spaziale, erano ancora più sottili. A metà di questi, il team ha aggiunto un colorante fosforescente che si attacca alle proteine ​​che punteggiano l'esterno dei neuroni. Questo passaggio rende facile individuare posizioni anatomiche distinte nella corteccia.

Il secondo lotto di fette ultrasottili ha ottenuto l'estrazione dei dati genetici tramite il nuovo strumento Stereo-seq. Pensa a questo passaggio che funziona come una fotocamera digitale, ma invece di catturare pixel, cattura i dati di espressione genica da ogni cellula sotto forma di RNA messaggero (mRNA). Il "trascrittoma" risultante è un'istantanea di tutti i geni attivi per qualsiasi cellula in qualsiasi momento.

L'obiettivo qui è quello di visualizzare il trascrittoma di ogni cellula mantenendo le informazioni sulla posizione fisica di ogni cellula. Come un sensore per fotocamera, il processo inizia con un chip di silicio delle dimensioni di circa due francobolli. Il chip di nuova concezione ha un campo visivo molto più ampio rispetto alle iterazioni precedenti, come un telefono in modalità panoramica, rendendo più facile la scansione di regioni cerebrali più grandi.

Punteggiati su ogni chip ci sono matrici 2D di nanosfere di DNA per afferrare l'mRNA. Le membrane cellulari sono state colorate con coloranti per aiutare il team ad abbinare un'impronta digitale del trascrittoma al suo ospite.

Utilizzando più algoritmi di intelligenza artificiale, il team ha unito tutti questi set di dati nel primo atlante tridimensionale a singola cellula della corteccia di macaco. Ogni tipo di cellula è dettagliato nella mappa, insieme a una tassonomia a tre livelli che illustra come le cellule differiscono attraverso la corteccia.

Ad esempio, un tipo di neurone eccitatorio negli strati due e tre nella corteccia esprime un gene "regolatore principale" per la segnalazione dello stress nel cervello. Tutte e tre le cellule principali del cervello - glutammato, GABA e cellule non neuronali - sono correlate con la gerarchia strutturale della corteccia, con alcune più abbondanti nelle sue regioni e profondità.

Una risorsa per l'evoluzione

La corteccia si è espansa enormemente nei primati ed è spesso vista come la sede della cognizione superiore. In un'altra analisi, il team ha confrontato la mappa del cervello della scimmia con quella esistente mouse ed umano atlanti per scavare nuovi tipi di cellule specifici per i primati.

Il test ha individuato un gruppo di cellule eccitatorie nel quarto strato della corteccia dei primati che sono assenti nei topi. Le cellule erano altamente concentrate nella parte anteriore del cervello, un'area che supporta la cognizione superiore, con geni precedentemente collegati al linguaggio, allo sviluppo del cervello e all'autismo.

Il team ha reso la risorsa gratuita per chiunque. Fornisce una cornucopia di dati per affrontare l'annosa questione di come la struttura porti all'intelligenza e quando, perché e come il nostro cervello balbetta nelle malattie neurologiche. Il dottor Xun Xu ha affermato che i risultati potrebbero anche "promuovere scoperte nel campo della scienza del cervello, come nell'intelligenza ispirata dal cervello e nelle interfacce cervello-computer".

Tutto il set di dati è open source. Giocaci qui.

Immagine di credito: Atlante di trascrittomica spaziale del macaco / BGI

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/