Quanto pesa la mappa 3D di un millimetro cubo di cervello: ben 1400 Terabyte

Un team di ricerca guidato da Jeff Lichtman, neuroscienziato presso l’Università di Harvard (Cambridge, USA), ha pubblicato i risultati di una ricerca di importanza davvero epocale. L’accademico e i suoi collaboratori sono riusciti a creare una mappa 3D del cervello umano, in particolare della corteccia cerebrale, l’area coinvolta nell’apprendimento, nella risoluzione dei problemi e nell’elaborazione dei segnali sensoriali.

Lichtman e il suo team hanno utilizzato un frammento di cervello (un millimetro cubo) prelevato da una donna di 45 anni sottoposta a intervento chirurgico per il trattamento dell’epilessia. Il campione è stato immerso in un conservante e colorato per rendere le cellule più facili da visualizzare.

I ricercatori hanno quindi tagliato il campione in 5.000 piccolissime “fette” dello spessore di appena 34 nanometri per poi sottoporle ad analisi mediante un microscopio elettronico. Basti ricordare che il nanometro è l’unità di misura usata per descrivere i microprocessori. Fa riferimento alla lunghezza di un segmento critico del transistor, come la lunghezza del canale o la dimensione del gate. Come termine di paragone, i virus possono avere dimensioni nell’ordine dei 20-300 nanometri mentre un capello misura 80.000 nanometri.

Come si presenta la mappa 3D del cervello, creata con l’ausilio dell’intelligenza artificiale

Partendo dal lavoro compiuto da Lichtman e pubblicato su Science, Viren Jain (Google) e i suoi collaboratori hanno utilizzato l’intelligenza artificiale per costruire una mappa 3D dalle immagini prodotto dal microscopio elettronico.

Al momento della stesura di questo articolo, la mappa 3D del cervello sviluppato a partire da un millimetro cubo di materiale ha una dimensione enorme, già pari a oltre 1,4 Petabyte (1.400 Terabyte).

La mappa 3D così creata contiene i riferimenti a circa 57.000 cellule e 150 milioni di sinapsi. Esaminandola nel dettaglio, gli scienziati hanno scoperto l’esistenza di neuroni non convenzionali che formano fino a 50 connessioni reciproche, neuroni che si avvolgono su se stessi per formare nodi e coppie di neuroni che si presentano come immagini speculari perfette o quasi. Non è chiaro, tuttavia, quale ruolo abbiano questi neuroni.

Il team ha a questo punto in programma di creare mappe simili di campioni cerebrali acquisiti da altre persone, ma ci vorranno decenni per creare una mappa approssimativa di tutto il cervello. Ad ogni modo, una mappa così dettagliata contribuirà a “scoprire i segreti delle connessioni neuronali contribuendo a chiarire il funzionamento interno del cervello umano“. Uno studio che  quindi offrirà un valido aiuto nel trattamento di alcune malattie psichiatriche e neurodegenerative.

Come visualizzare la mappa 3D con Neuroglancer

Neuroglancer è uno strumento di visualizzazione 3D progettato specificamente per esplorare dati neuroscientifici. È sviluppato da Google e offre una vasta gamma di funzionalità per visualizzare e analizzare immagini e dati tridimensionali, come ad esempio immagini di tomografia a risonanza magnetica (MRI), immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) e immagini ottenute attraverso tecniche di imaging cerebrale come la microscopia a fluorescenza.

Gli scienziati hanno messo pubblicamente a disposizione tutto il materiale prodotto a seguito dell’elaborazione con l’IA. Il voluminoso dataset è disponibile sul sito H01 Release ed è appunto accessibile ricorrendo a Neuroglancer, installabile facendo riferimento al repository GitHub. È possibile clonare il repository o scaricare il file Zip del progetto estraendo i contenuti in locale.

Tutti i dataset rilasciati sono sotto licenza Creative Commons Attribution 4.0, consentendo quindi a chiunque di visionarne il contenuto e rielaborarli in autonomia.

Una vista semplificata di una parte del dataset condiviso è accessibile anche attraverso la versione demo Web di Neuroglancer.