Con il contributo di ricercatori Unimore creato il primo modello 3D della rete neurale dell’ippocampo umano
Sviluppo del primo modello 3D dell'ippocampo umano grazie alla collaborazione tra ricercatori del Dipartimento di Scienze Biomediche, Metaboliche e Neuroscienze di Unimore, l'Istituto di biofisica del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ibf), l'Institut de Neurosciences des systèmes di Marsiglia e le l'Università di Sassari e Pavia: uno studio rivoluzionario per la medicina predittiva e la creazione di pazienti virtuali e gemelli digitali
Ricercatori e Ricercatrici del Dipartimento di Scienze Biomediche, Metaboliche e Neuroscienze di Unimore, in collaborazione con l’Istituto di biofisica del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ibf), l’Institut de Neurosciences des systèmes di Marsiglia e le l’Università di Sassari e Pavia hanno realizzato il primo modello 3D in silico della regione CA1 dell’ippocampo umano .
Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Computational Science , descrive la metodologia che è stata sviluppata per creare la struttura e la connettività di quest’area cerebrale. Gli autori sottolineano come questa metodologia consentirà di produrre modelli circuitali su larga scala di altre regioni cerebrali umane, aprendo importanti prospettive per la medicina predittiva e per la creazione di pazienti virtuali e gemelli digitali (digital twin).
A partire da immagini ad altissima risoluzione di un cervello umano i ricercatori sono riusciti a ricostruire il posizionamento nel volume ippocampale di circa 5,3 milioni di neuroni. Un algoritmo di connettività appositamente sviluppato e basato sulla generazione di morfologie neuronali sintetiche ha consentito di ricavare in maniera probabilistica la mappa delle connessioni fra neuroni per ricostruite l’intera rete neuronale composta da circa 40 miliardi di sinapsi.
Il lavoro portato a termine dai ricercatori modenesi è focalizzato sull’ippocampo, struttura cerebrale coinvolta in diverse funzioni cognitive come l’apprendimento, la memoria e l’elaborazione spaziale, nonché fortemente implicato nella patogenesi di diverse malattie neurologiche come l’epilessia e neurodegenerative come l’Alzheimer. Questo studio rappresenta un primo risultato del lavoro dei gruppi appartenenti alla infrastruttura di ricerca ‘Ebrains-Italy’ finanziata dal Mur, tramite la Commissione Europea (Next-Generation EU), nell'ambito del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) coordinato dal CNR, che ha contribuito a finanziare questa ricerca.
“Il nostro approccio - commenta la Dott.ssa Daniela Gandolfi prima autrice dell’articolo - si basa sull’analisi di immagini ad alta risoluzione del cervello umano e sulla modellizzazione semplificata delle proprietà morfologiche dei singoli neuroni. A partire dalla probabilità di intersezione di morfologie sintetiche siamo in grado di ricavare la connettività tra neuroni e quindi simulare l’attività funzionale della rete. In particolare, abbiamo verificato che la distribuzione spaziale della densità dei neuroni del modello tridimensionale così ottenuto fosse congruente con i dati di letteratura sull’ippocampo umano”
“Al NILab (Neuromorphic Intelligence Laboratory) – conclude Gandolfi - sviluppiamo modelli di circuiti cerebrali per ampliare le conoscenze in ambito neuroscientifico. Grazie al lavoro di giovani ricercatori, dottorandi e studenti stiamo sviluppando modelli di altre regioni dell’ippocampo umano, ad esempio la regione CA3, e grazie alla collaborazione con l’Università di Marsiglia lavoriamo per integrare in un gemello digitale del cervello umano (The Virtual Brain) tali modelli”.
I ricercatori stanno condividendo sia il set di dati che la metodologia di estrazione sulla piattaforma EBRAINS rendendo i dati prontamente disponibili alla comunità neuroscientifica.
“Generare modelli di circuiti cerebrali umani con risoluzione cellulare è un compito particolarmente complesso per diversi motivi - spiega il Prof. Jonathan Mapelli -. Non solo i dati sulla funzionalità dei singoli neuroni umani sono quasi assenti ma anche la quantità di immagini sulle morfologie cellulari a disposizioni della comunità scientifica è limitata. Riprodurre l’attività di un’intera ragione cerebrale significa dover risolvere simultaneamente miliardi di equazioni relative all’attivazione dei neuroni e delle sinapsi. La sfida era quella di sviluppare una strategia in grado di ovviare alla scarsità di dati ed alle elevate richieste computazionali. Analizzare le funzioni cerebrali attraverso modelli matematici in grado di descriverne i meccanismi cellulari e sinaptici consente di analizzare condizioni non esplorabili sperimentalmente ed offre la possibilità di sviluppare e poi di testare nuovi approcci terapeutici e farmacologici.”
“La ricerca appena pubblicata su una rivista di primissimo rango dalla Dr.ssa Gandolfi, dal prof. Mapelli e dai loro collaboratori italiani ed esteri - aggiunge il Prof. Michele Zoli, Direttore del Dipartimento di Scienze Biomediche, Metaboliche e Neuroscienze - è di grandissima rilevanza in quanto risponde ad una delle domande più attuali delle neuroscienze, ovvero identificare, o almeno ipotizzare, l’attività globale di una struttura cerebrale complessa partendo dalla miriade di informazioni specifiche raccolte dalla ricerca neurobiologica. La creazione di modelli morfofunzionali coerenti con la numerosità reale dei neuroni, delle loro relazioni spaziali ed eterogeneità citologiche e della loro connettività in una regione cerebrale specifica è un passaggio fondamentale per comprenderne il funzionamento fisiologico nonché delle sue possibili alterazioni patologiche”.
Categorie: GIURI
Articolo pubblicato da: Ufficio Stampa Unimore - ufficiostampa@unimore.it il 29/03/2023