Un gruppo di ricerca di Ebrains-Italy ha realizzato, in collaborazione con l’Institut de neurosciences des systèmes di Marsiglia, il primo modello virtuale in 3D della struttura e della connettività neuronale dell’area CA1 dell’ippocampo umano.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Computational Science, descrive la tecnologia utilizzata per la ricerca e rappresenta un primo risultato del lavoro di gruppi appartenenti all'infrastuttura di ricerca Ebrains-Italy (composta dall’Istituto di biofisica del Consiglio nazionale delle ricerche e dall’Università di Modena e Reggio Emilia) finanziata dal Mur tramite la Commissione europea (Next-Generation EU), nell'ambito del Piano nazionale di ripresa e resilienza (Pnrr) e diretta dal Cnr.

Secondo lo studio, la stessa metodologia potrebbe essere applicata per generare modelli in scala naturale di altre aree del cervello umano, predisposte a essere utilizzate per applicazioni di simulazione virtuale (digital twin o gemello digitale).

Da immagini ad altissima risoluzione di un cervello umano è stato estratto un insieme di dati di oltre 5 milioni di neuroni, individuando successivamente con un algoritmo, realizzato appositamente, gli oltre 40 miliardi di sinapsi che connettono la rete neurale.

Il modello in 3D dell’area CA1 dell’ippocampo sarà aperto alla comunità scientifica per favorire la ricerca e lo studio sulle diverse funzioni cognitive come l’apprendimento, la memoria e l’elaborazione spaziale, ma anche disfunzioni quali epilessia, malattie neurodegenerative come l’Alzheimer e l'invecchiamento.

«La quantità di dati sui singoli neuroni del cervello umano è molto limitata, sia in termini di coordinate 3D relative sia in termini di connettività tra i neuroni» osserva Michele Migliore del Cnr-Ibf di Palermo, coordinatore scientifico di Ebrains-Italy. «Abbiamo eseguito – precisa - un'operazione di data mining su immagini ad alta risoluzione dell'ippocampo umano, ottenute dal database BigBrain. La posizione dei singoli neuroni è stata ricavata da un'analisi dettagliata di queste immagini».

I ricercatori hanno sviluppato un algoritmo di elaborazione delle immagini per ottenere una distribuzione realistica del posizionamento neuronale e un algoritmo per generare connettività neuronale approssimando le forme dendritiche e assonali.

«Il nostro algoritmo analizza immagini ad alta risoluzione – spiega Daniela Gandolfi dell'Università di Modena e Reggio Emilia - e, dopo la creazione di specifiche forme geometriche da associare a proprietà morfologiche, ci permette di calcolare la probabilità che due neuroni siano connessi».

Il metodo fornisce non solo il loro posizionamento 3D ma anche la loro connettività. I ricercatori stanno condividendo sia il set di dati che la metodologia di estrazione sulla piattaforma Ebrains. «Il nostro obiettivo principale con questo studio – aggiunge Gandolfi - era rendere i dati prontamente disponibili con Human Brain Project, il grande progetto europeo per la costruzione di una simulazione digitale completa del cervello, e la più ampia comunità delle neuroscienze. Ora stiamo usando lo stesso approccio per modellare altre regioni del cervello».