Una rivoluzionaria mappatura del connettoma ha individuato ogni connessione neurale nel sistema nervoso centrale di un moscerino della frutta adulto, offrendo una visione senza precedenti di come cervello e corpo interagiscono. I risultati suggeriscono che i comportamenti complessi emergono da circuiti locali distribuiti piuttosto che da un singolo centro di controllo, fornendo nuovi indizi su intelligenza, movimento e funzioni cerebrali.
Un ampio team di ricerca internazionale, guidato da gruppi della Harvard Medical School e dell’Università di Princeton, ha raggiunto un importante traguardo nel campo delle neuroscienze pubblicando una mappa completa di tutte le connessioni tra i neuroni nel sistema nervoso centrale di un moscerino della frutta adulto.
Questo risultato offre agli scienziati un nuovo modo per esaminare come cervello e corpo collaborano per produrre azioni complesse, come camminare e volare. Apre inoltre la strada a studi più ampi sulle regole fondamentali che governano i sistemi nervosi.
“Per la prima volta possiamo osservare tutti i neuroni e le loro connessioni come un’unità completa e chiederci: ‘Cosa possiamo imparare da questo?'”, ha affermato Rachel Wilson, co-autrice senior dello studio e professoressa Joseph B. Martin di ricerca di base nel campo della neurobiologia presso il Blavatnik Institute della Harvard Medical School.
Prima mappatura completa del cablaggio cerebrale e corporeo del moscerino della frutta
La nuova mappa delle connessioni neurali, nota come connettoma, estende un connettoma del cervello del moscerino della frutta precedentemente pubblicato, aggiungendo l’equivalente del midollo spinale del moscerino, chiamato cordone nervoso.
“È fondamentale avere un connettoma del sistema nervoso centrale il più completo possibile, in modo da poter collegare cervello e corpo e iniziare a pensare al comportamento in modo olistico”, ha affermato Wei-Chung Allen Lee, coautore senior dello studio, professore associato di neurobiologia presso la Harvard Medical School (HMS) e professore di neurologia presso il Boston Children’s Hospital, sempre presso la HMS.
Quando il team ha studiato il connettoma, ha scoperto che molti comportamenti dei moscerini della frutta sembrano essere diretti da circuiti neurali locali nelle parti del corpo interessate, piuttosto che da un’unica area di comando centrale nel cervello.
Il connettoma completo è ora disponibile gratuitamente online , offrendo ai ricercatori di tutto il mondo una nuova e potente risorsa per gli studi neuroscientifici. Il lavoro, pubblicato l’8 giugno su Nature, ha ricevuto un finanziamento in parte federale negli Stati Uniti, grazie anche alla BRAIN Initiative (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies), ai National Institutes of Health e alla National Science Foundation.
Perché i moscerini della frutta sono importanti nelle neuroscienze
Uno dei principali interrogativi irrisolti delle neuroscienze riguarda il modo in cui i neuroni nel cervello e nel corpo si connettono e si coordinano per generare un comportamento. Il moscerino della frutta Drosophila melanogaster è un modello prezioso per esplorare questo problema.
I moscerini della frutta sono facili da allevare e tenere in laboratorio. Sebbene il loro sistema nervoso contenga solo circa 160.000 neuroni, sono comunque in grado di svolgere comportamenti complessi come orientarsi, interagire socialmente, apprendere e reagire ai segnali sensoriali. Possiedono inoltre quello che Lee definisce un “kit di strumenti genetici” incredibilmente sofisticato, che permette agli scienziati di accedere, controllare e registrare l’attività di singoli neuroni o gruppi di neuroni.
Nel 2024, il FlyWire Consortium, guidato da Mala Murthy e Sebastian Seung a Princeton, coautori anche del nuovo studio, ha pubblicato un connettoma completo del cervello di un moscerino della frutta. Contemporaneamente, Lee e i suoi colleghi stavano costruendo un connettoma del cordone nervoso del moscerino della frutta, che controlla le zampe, le ali e le altre appendici, elaborando al contempo le informazioni sensoriali.
“Il connettoma del cervello e quello del midollo spinale sono entrambi utili di per sé, ma finché non si riesce a collegare i due, è difficile capire come le informazioni si spostano tra il cervello e il corpo”, ha affermato Helen Yang, co-prima autrice dello studio e ricercatrice in neurobiologia presso il Wilson Lab.
Il co-primo autore Alexander Bates, anche ricercatore in neurobiologia presso il Wilson Lab, ha osservato che il cervello contiene la maggior parte dei neuroni, ma il cordone nervoso contiene neuroni che sono “tra i più utili” perché sono legati alla sensazione, al movimento e a funzioni che sono spesso più facili da interpretare.
Collegamento del cervello al cordone nervoso
Il team di FlyWire era ansioso di passare al set di dati BANC (Brain and Neural Cord) acquisito nel laboratorio di Lee, ha affermato il co-autore senior Murthy, professore di neuroscienze titolare della cattedra Karol e Marnie Marcin ’96 a Princeton e direttore del Princeton Neuroscience Institute (PNI).
“Il nuovo connettoma rappresenta un importante passo avanti per il settore, in quanto permette di comprendere come i circuiti cerebrali ricevono feedback dal corpo e ne controllano le azioni”, ha affermato.
“Per la prima volta, possiamo seguire il flusso di informazioni dalla sensazione all’azione attraverso l’intero sistema nervoso”, ha aggiunto il coautore Arie Matsliah del PNI.
Come gli scienziati hanno costruito il connettoma
Per creare il connettoma, i ricercatori hanno sezionato un singolo moscerino della frutta in migliaia di sezioni seriali estremamente sottili. Hanno quindi utilizzato la microscopia elettronica per catturare milioni di immagini che mostravano i neuroni e le loro connessioni. Strumenti di intelligenza artificiale hanno contribuito ad allineare queste immagini e ad assemblarle in una mappa 3D unificata.
Il connettoma completato mostra come ogni neurone si connette con altri neuroni nel cervello e nel cordone nervoso a livello delle singole sinapsi. La mappa non copre l’intero corpo della mosca, ma i ricercatori hanno utilizzato neuroni identificabili e la letteratura scientifica precedente per collegare i neuroni del sistema nervoso centrale con i neuroni presenti in molti arti e organi sensoriali, “incarnando” di fatto il connettoma.
Lee ha affermato che gli scienziati possono utilizzare il connettoma per sviluppare nuove ipotesi per gli esperimenti di laboratorio. Lo paragona all’avere informazioni dettagliate su Google Maps quando si pianifica un percorso.
“Il connettoma ci ha dimostrato che la maggior parte delle nostre ipotesi sono troppo semplicistiche. Ora possiamo sviluppare ipotesi più complesse e procedere con esperimenti per verificarle”, ha affermato Lee.
Una sorpresa riguardo al modo in cui viene controllato il movimento.
I ricercatori hanno già utilizzato il connettoma per studiare il controllo motorio, in particolare il modo in cui una mosca muove le zampe e altre parti del corpo.
Un’idea consolidata nelle neuroscienze sostiene che il cervello agisca come un centro di controllo che decide quali azioni un animale compirà. Il connettoma del moscerino della frutta ha indicato una risposta diversa.
Il team ha scoperto che il controllo motorio nei moscerini della frutta avviene principalmente a livello locale. Ad esempio, il movimento di una zampa è governato principalmente dai circuiti neurali di quella zampa. Questi circuiti comunicano poi con i circuiti delle altre zampe per produrre azioni coordinate come la deambulazione.
Lo stesso schema è emerso nei circuiti collegati alle ali, alla bocca e ad altre parti del corpo della mosca. I ricercatori hanno anche scoperto che i circuiti motori si connettono con altri tipi di circuiti, inclusi quelli del sistema visivo ed endocrino, che forniscono informazioni aggiuntive che contribuiscono a modellare il comportamento.
“I nostri risultati suggeriscono che il controllo delle azioni è altamente distribuito in moduli locali che si collegano e collaborano in modi diversi”, ha affermato Bates.
Quali prospettive per la ricerca sul connettoma?
Secondo i ricercatori, il connettoma potrebbe supportare numerose linee di ricerca future. Yang lo paragona al Progetto Genoma Umano, un’altra risorsa aperta su larga scala che è stata utilizzata in molti modi diversi.
A breve, il team prevede di aggiungere ulteriori informazioni al connettoma, inclusi dettagli sui neuropeptidi, le piccole molecole simili a proteine che i neuroni utilizzano per comunicare.
Il connettoma potrebbe anche rivelare principi fondamentali applicabili ai sistemi nervosi di diverse specie, compresi gli esseri umani. Bates ha affermato che molte scoperte nel campo delle neuroscienze sui moscerini della frutta sono state trasferite dagli invertebrati ai mammiferi, tra cui scoperte relative alla navigazione, all’olfatto e alla memoria.
Un altro obiettivo è “portare la mappatura completa del connettoma a organismi molto più complessi”, ha affermato Matsliah. Ha osservato che i progressi nell’intelligenza artificiale, nell’informatica e nella scienza collaborativa aperta stanno rendendo questo tipo di ricerca sempre più fattibile.
Una delle domande principali ora è se il controllo neurale distribuito osservato nei moscerini della frutta si trovi anche in altri animali. Lee sta attualmente studiando questa possibilità nei topi.
“Sarei sorpreso se questa caratteristica fosse esclusiva della mosca”, ha affermato Yang. “Non abbiamo questo livello di risoluzione in altri animali, ma sappiamo che possiedono molti di questi circuiti locali.”
Lezioni di intelligenza artificiale
Questo lavoro potrebbe avere implicazioni anche per l’intelligenza artificiale. Il connettoma offre dati biologici reali che potrebbero contribuire a guidare la progettazione di agenti artificiali che si muovono in mondi virtuali, sistemi sempre più utilizzati per studiare l’intelligenza e migliorare l’addestramento dell’IA.
“Una cosa che mi stupisce sempre è quanto sia capace questa minuscola mosca; persino i nostri migliori agenti di intelligenza artificiale e i nostri robot non riescono a fare tutto ciò che fa una mosca”, ha affermato Yang. “Potremmo imparare molto sull’organizzazione del sistema nervoso per quanto riguarda l’intelligenza artificiale.”
Astratto
Così come i genomi hanno rivoluzionato la genetica molecolare, i connettomi (mappe di neuroni e sinapsi) stanno trasformando le neuroscienze. Ad oggi, gli unici organismi con connettomi completi sono i vermi ascidie e meduse a pettine. Al contrario, il moscerino della frutta è più complesso (10 8 connessioni sinaptiche), con un cervello che supporta l’apprendimento e la memoria spaziale e un intricato cordone nervoso ventrale analogo al midollo spinale dei vertebrati . In questo studio presentiamo la prima ricostruzione dettagliata del connettoma di una mosca adulta, che unisce il cervello e il cordone nervoso ventrale, e sfruttiamo questa risorsa per indagare i principi del controllo neurale. Dimostriamo che i neuroni effettori (neuroni motori, cellule endocrine e neuroni efferenti diretti ai visceri) sono influenzati principalmente dai neuroni sensoriali nella stessa parte del corpo, formando circuiti di feedback locali. Questi circuiti locali sono collegati da circuiti a lungo raggio che coinvolgono neuroni ascendenti e discendenti organizzati in moduli incentrati sul comportamento. Singoli neuroni ascendenti e discendenti sono spesso posizionati in modo da influenzare i movimenti volontari di più parti del corpo, insieme alle cellule endocrine o agli organi viscerali che supportano tali movimenti. Le regioni cerebrali coinvolte nell’apprendimento e nella navigazione supervisionano questi circuiti. Questi risultati rivelano un’architettura distribuita, parallelizzata e incarnata, che ricorda le architetture di controllo distribuito nei sistemi ingegnerizzati.
Materiale fornito dalla Harvard Medical School . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Circuiti di controllo distribuiti attraverso un connettoma cervello-midollo spinale . Nature , 2026; DOI: 10.1038/s41586-026-10735-w
by 