Il nuovo microscopio ad alta velocità riesce addirittura a “catturare” la neuroattività cerebrale: ingegneri biomedici di HKU ottengono una svolta significativa nel neuroimaging.

Tra le tantissime meraviglie della scienza, di certo lo studio e l’analisi del funzionamento deI nostro cervello tiene sempre uno dei posti più in alto nella classifica per quello che concerne il suo fascino e complessità.

Decine di miliardi di cellule nervose (neuroni) che comunicano costantemente tra loro inviando lampi chimici ed elettrici, ciascuno della durata di un breve millisecondo (0,001 sec).

Racchiuso nel nostro cervello ci sono le origini di tutte le nostre funzioni dalle più semplici a quelle più evolute, i comportamenti, le emozioni, le percezioni, i pensieri, le azioni e i ricordi. Ma il cervello è anche sede di malattie devastanti e molto diffuse come la Malattia di Alzheimer e il Parkinson.

In ogni millisecondo, possiamo immaginare questi miliardi di lampi volanti veloci viaggiare insieme in una sorta di gigantesca mappa stellare nel cervello che illumina un tortuoso schema scintillante.

Sarebbe bello vederlo? Forse con questo nuovo neuroimaging ci siamo vicini.

Una grande sfida per le neuroscienze nel 21 ° secolo è quella di catturare questi complessi schemi di sfarfallio delle attività neurali perché sono la chiave per una comprensione integrata delle interazioni su larga scala a livello cerebrale.

Catturare questi segnali dal vivo è una grande sfida per neuroscienziati e ingegneri biomedici. Ci vorrebbe un microscopio ad altissima velocità nel cervello, cosa finora assolutamente impossibile.

Un gruppo di ricerca guidato dal dott. Kevin Tsia, professore associato del dipartimento di ingegneria elettrica ed elettronica e direttore del programma di laurea in ingegneria biomedica dell’Università di Hong Kong (HKU); e il professor Ji Na, del Dipartimento di biologia molecolare e cellulare dell’Università della California, Berkeley (UC Berkeley) offre una nuova soluzione: il nuovo microscopio, che modifica un tradizionale microscopio a fluorescenza a due fotoni, ha registrato con successo i segnali elettrici nella finestra temporale dei millisecondi in neuroni di un topo vivo, vegeto e… attento!

Il team HKU FACED guidato dal dott. Kevin Tsia (al centro) e il dispositivo di scansione laser.

La nuova tecnica è minimamente invasiva per l’animale testato rispetto al metodo tradizionale che richiede l’inserimento di un elettrodo nel tessuto cerebrale.

Inoltre non solo questo è meno dannoso per i neuroni, ma può anche individuare singoli neuroni e tracciare i loro potenziali d’azione, millisecondo per millisecondo.

Il risultato di questo lavoro rivoluzionario è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Methods.

Nel cuore del microscopio ad alta velocità vi è una tecnica innovativa chiamata FACED (Dubbed free-space angular-chirp-enhanced delay), sviluppata precedentemente dal team del dottor Tsai.

FACED si avvale di una coppia di specchi paralleli che generano una pioggia di impulsi laser per creare un raggio laser a scansione superveloce almeno 1.000 volte più veloce dei metodi di scansione laser esistenti.

Nell’esperimento, il microscopio ha proiettato un raggio di laser radente sul cervello del topo e ha catturato da 1.000 a 3.000 scansioni 2D complete di un singolo strato cerebrale della neocorteccia di topo ogni secondo.

Per sondare i veri segnali elettrici che pulsano tra i neuroni, il team ha inserito nei neuroni del cervello del topo, un biosensore formato da molecole proteiche, sviluppato dal Dr. Michael Lin dell’Università di Stanford.

Tali proteine ​​ingegnerizzate si accenderanno (o fluoresceranno) ogni volta che c’è un segnale di tensione che attraversa i neuroni. La luce emessa viene quindi rilevata dal microscopio e forma un’immagine 2D che visualizza le posizioni di questi cambiamenti di tensione

ha affermato Tsia che aggiunge:

Questo è davvero un risultato entusiasmante poiché ora possiamo sbirciare le attività neuronali, che una volta erano oscurate e potevano fornire gli indizi fondamentali per comprendere le funzioni cerebrali e, soprattutto, le malattie cerebrali

Oltre ai segnali elettrici, il team ha anche utilizzato il microscopio per monitorare lo scambio di neurotrasmettitori fino a un terzo di millimetro dalla superficie del cervello.

Un notevole vantaggio di questa tecnica è la capacità di tracciare anche segnali che non innescano il potenziale di azione del neurone: segnali neuronali deboli (chiamati segnali sotto-soglia) che sono spesso difficili da catturare e rilevare, ma che potrebbero non solo verificarsi, ma essere cruciali in molte condizioni di malattia del cervello. Attualmente non sono ancora stati studiati nel dettaglio proprio a causa della mancanza di una tecnica ad alta velocità come quella sviluppata dal team.

Un’altra caratteristica importante della nuova tecnica è che è minimamente invasiva. Il metodo classico per la registrazione del potenziale d’azione nel cervello consiste nell’incorporare fisicamente o impiantare elettrodi nel tessuto cerebrale.

Questa è finora una tecnologia unica nel suo genere in grado di rilevare le attività di singoli neuroni nel cervello vivente che cambiano nel tempo dei millisecondi. Tale tecnica rappresenterà la pietra angolare della ricerca neuroscientifica per “decodificare” in modo più accurato segnali nervosi

Il dott. Tsia ha affermato anche che il team lavorerà ancora per migliorare le capacità del microscopio, per ottenere immagini a risoluzione più elevata una visione più ampia e più profonda nel cervello e nella neocorteccia, che è di circa 1 millimetro.

Di sicuro questa tecnica permetterà di sondare più a fondo nel cervello e migliorarne notevolmente la sua comprensione anche dal punto di vista globale.