Un innovativo strumento di intelligenza artificiale crea una mappa 3D del cervello
Uno sguardo dettagliato sul cervello come non l'avete mai visto prima: ingrandite e rimpicciolite come su Google Earth
Con un significativo salto tecnologico, i ricercatori dell'Università della Florida hanno sviluppato un nuovo potente strumento informatico e di intelligenza artificiale in grado di creare una mappa 3D ad alta risoluzione del cervello dei topi, consentendo agli utenti di zoomare da tutte le angolazioni - come una mappa di Google Earth - e dare un'occhiata a tutte le molecole che generano l'energia per le funzioni cerebrali.
Questo nuovo strumento guidato dall'intelligenza artificiale, finanziato da sovvenzioni per la ricerca del National Institutes of Health, porta gli scienziati un passo più vicino a una comprensione più completa del ruolo del metabolismo nella malattia di Alzheimer e in altri disturbi neurodegenerativi. Questo potrebbe aprire nuove possibilità per la scoperta di trattamenti mirati.
Sulla rivista Nature Metabolism, un gruppo di ricercatori guidati da Ramon Sun, Ph.D., racconta come ha sviluppato l'innovativo strumento MetaVision3D utilizzando il supercomputer HiPerGator dell'UF. Per dimostrare il principio, hanno creato un atlante 3D interattivo del cervello di topi normali e di modelli di topi affetti da Alzheimer e da malattia di Pompe, una rara malattia genetica. Il laboratorio di Sun ha reso pubblici il database e il server web per supportare il crescente campo di scienziati che studiano le connessioni tra metabolismo e mente.
"Con la nostra metodologia, possiamo mappare migliaia di molecole nel cervello e individuare esattamente la loro posizione in ogni regione cerebrale. È una cosa senza precedenti", ha dichiarato Sun, direttore del Center for Advanced Spatial Biomolecule Research e direttore associato per l'innovazione del McKnight Brain Institute dell'UF. "Non avremmo potuto farlo senza il finanziamento del NIH. Questo finanziamento sosterrà i nostri sforzi per scoprire le cause metaboliche del morbo di Alzheimer e aprire la strada a nuovi interventi per prevenire e trattare questa malattia devastante".
Gli utenti online possono esplorare ogni sezione di tessuto nella ricostruzione 3D, che illumina complessità sfumate non visibili nelle tradizionali mappe 2D, fornendo nuove conoscenze sul metabolismo cellulare - che è influenzato da dieta, esercizio fisico e genetica - e sui meccanismi della malattia.
"Su Google Earth posso zoomare su una città e vedere com'è fatta una casa, com'è fatta la strada, quali auto ci sono. Questo è il livello di risoluzione che abbiamo fornito per il cervello dei topi in questo spazio tridimensionale, e come cambia nelle malattie", ha detto Sun, anche professore associato presso il Dipartimento di Biochimica e Biologia Molecolare dell'UF College of Medicine, che fa parte dell'UF Health. "È possibile esplorare e studiare le molecole che influenzano il pensiero, la memoria e la salute del cervello, comprese quelle coinvolte nelle malattie neurodegenerative. Si possono immaginare tutte le diverse molecole e vedere come sono organizzate e distribuite nelle sottili strutture cerebrali".
Per fare il salto dall'imaging 2D all'imaging 3D - che Sun paragona al salto tecnologico dai telefoni cellulari agli smartphone - il suo laboratorio ha scansionato 79 fette di cervello, uno strato sottile alla volta, con un dispositivo di imaging ad alta tecnologia che identifica e conta molecole come grassi e carboidrati, nutrienti importanti per la funzione cerebrale.
"Poi abbiamo usato l'intelligenza artificiale per allineare e impilare queste immagini e ricostruire l'intero metaboloma del cervello", ha spiegato Xin Ma, primo autore dello studio e dottorando in biostatistica, supervisionato da Sun e Li Chen, Ph.D., M.S. Il metaboloma è un insieme di migliaia di molecole che forniscono energia per le funzioni cerebrali.
Come passo successivo, insieme a Sara Burke, Ph.D., direttrice dell'UF Center for Cognitive Aging and Memory Clinical Translational Research, hanno mappato l'anatomia per correlarla alle molecole e hanno usato metodi matematici per verificare un'accuratezza del 95-99%, ha detto Sun.
In futuro, i ricercatori potrebbero combinare lo strumento di mappatura con le tecniche consolidate di risonanza magnetica per immagini e le analisi genetiche per sviluppare trattamenti che mirino con precisione ad aree specifiche del cervello, a differenza dei trattamenti attuali che possono colpire parti non malate del cervello.
"Per la prevenzione e il trattamento delle malattie, abbiamo aperto un nuovo punto di osservazione per i biologi", ha dichiarato Chen, coautore dello studio e professore associato presso il Dipartimento di biostatistica dell'UF College of Public Health and Health Professions.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Xin Ma, Cameron J. Shedlock, Terrymar Medina, Roberto A. Ribas, Harrison A. Clarke, Tara R. Hawkinson, Praveen K. Dande, Hari K. R. Golamari, Lei Wu, Borhane EC. Ziani, Sara N. Burke, Matthew E. Merritt, Craig W. Vander Kooi, Matthew S. Gentry, Nirbhay N. Yadav, Li Chen, Ramon C. Sun; "AI-driven framework to map the brain metabolome in three dimensions"; Nature Metabolism, 2025-3-18
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