Mini2P: minuscolo microscopio cerebrale, consente di vedere elementi neurali nel cervello vivo e attivo (Video)

«Il nostro sogno era quello di inventare una finestra sul cervello, in modo da poter vedere cosa succede all’interno quando pensiamo, pianifichiamo, sentiamo e ricordiamo», dice la professoressa May-Britt Moser, descrivendo le conversazioni che lei e il suo collaboratore di lunga data, il professor Edvard Moser, hanno avuto come giovani studenti di psicologia nei primi anni ’90.
Oggi, il topo Leif Erikson è il primo passo nella realizzazione di quel sogno. Il topo è dotato di una finestra sulla sua testa. Sopra la finestra ci sono 2,4 grammi di pura innovazione tecnologica, è il portatile “Mini2P” può forse essere meglio descritto come un minuscolo osservatorio corticale, che registra immagini dal vivo di paesaggi neurali che non sono mai stati visti prima. Lo studio è stato pubblicato nella rivista Cell.

In diretta dal cervello
Il Mini2P può registrare dal vivo l’area del cervello che è responsabile delle abilità di navigazione del topo Leif Erikson. Le cellule cerebrali scintillanti che i ricercatori vedono sullo schermo, stanno allo stesso tempo permettendo al topo di trovare la sua strada attraverso il pavimento, su una torre di arrampicata, fino al tetto della torre, dove attendono deliziosi “crumble” con biscotti alla crema di vaniglia.
Edvard Moser ha detto:
«Se vogliamo capire il comportamento complesso, l’animale deve essere libero di muoversi e comportarsi in un modo che è naturale per lui. Il Mini2P è il primo strumento che ci permette di studiare l’attività delle reti neurali ad alta risoluzione in animali dal comportamento naturale».

Grandi invenzioni arrivano in piccoli pacchetti
I meccanismi di base del Mini2P non sono troppo diversi da un microscopio ottico, o dall’occhio umano. La più piccola unità di luce si chiama fotone. Mini2P usa due piccoli fasci di luce da un laser per eccitare e registrare i neuroni con precisione, ad alta risoluzione.
Weijian Zong ha detto:
«Per sviluppare il Mini2P, abbiamo seguito due regole su cui non eravamo disposti a scendere a compromessi. La prima regola era che qualsiasi miglioramento del dispositivo non doveva influenzare il comportamento naturale dell’animale, quindi, sapevamo di dover diminuire il peso per rendere il microscopio e il suo cavo il più leggero e flessibile possibile. La seconda regola era che non dovevamo scendere a compromessi sulle prestazioni del microscopio. Se vogliamo che i ricercatori investano tempo in un nuovo strumento, le caratteristiche del miniscopio devono essere significativamente migliori dei suoi predecessori».
La piccola lente sintonizzabile elettricamente è una delle diverse caratteristiche brillantemente progettate per il Mini2P. Weijian Zong usando una tensione statica, è stato in grado di manipolare la curvatura della lente senza causare un aumento della temperatura, cambiando la curvatura della lente, si attiverà per spostare il piano focale tra la superficie e gli strati cellulari più profondi della corteccia, permettendo anche registrazioni della struttura 3D del tessuto cerebrale. Ciò è stato possibile prendendo un gene in prestito dalle meduse, fa brillare le cellule del cervello quando chiacchierano tra loro.
La bioluminescenza permette ai ricercatori di vedere esattamente quali cellule prendono parte a diversi segmenti della conversazione. Possono anche osservare come la conversazione neurale dia origine a idee che il topo poi mette in atto “nel mondo esterno”.
I ricercatori possono anche codificare a colori le cellule cerebrali in base ai geni che esprimono e alle aree cerebrali con cui comunicano, questo permette loro di imparare quali tipi di cellule cerebrali devono collaborare per generare diverse abilità cognitive.
Mini2P oltre a registrare simultaneamente da migliaia di cellule cerebrali, può seguire le stesse cellule cerebrali per più di un mese e tenerle a fuoco anche attraverso le attività più vigorose, come ripetuti salti da una torre alta 22 centimetri, può anche esplorare diverse aree e funzioni mentali in tutta la corteccia cerebrale.
I ricercatori hanno testato Mini2P in più regioni del cervello, come il sistema di navigazione, l’hub della memoria e l’area visiva. Usando una sorta di tecnica di trapunta decorativa (composta da pezzi di stoffa di diverse dimensioni, colori e forme, cuciti insieme per formare un motivo regolare o in modo apparentemente casuale), attraverso la corteccia visiva, è possibile mappare anche paesaggi neurali più grandi, come 10.000 cellule cerebrali. Tutte le misurazioni sono state effettuate mentre il topo si muoveva liberamente e faceva quello che fa normalmente. Ciò era impossibile prima di Mini2P (vedi video).

I miniscopi a 1 fotone esistono da un decennio, ma hanno diversi problemi: la risoluzione è insufficiente, l’imaging può essere troppo lento, non è possibile spostare il piano focale sull’asse Z, o non possono essere utilizzati per la maggior parte, elementi della corteccia con alta attività e alta densità cellulare.
Mini2P permette la registrazione da più piani lungo l’asse Z, in scale che vanno da sottostrutture di cellule come rami assonali, a mappe topografiche di diecimila cellule.
L’attuale versione da banco del microscopio a due fotoni pesa mezza tonnellata e occupa quasi tutta la stanza. Il microscopio da banco richiede che la testa del topo sia tenuta in posizione, il che limita il movimento naturale del topo. Inoltre, sostituisce l’accesso del topo al mondo reale con la realtà virtuale, non è niente di simile a quello che un topo sperimenterebbe normalmente, significa che anche il suo comportamento non è probabilmente naturale.
Mini2P d’altra parte, pesa 2,4 grammi, con un cavo super-flessibile di raccolta laser e luce che permette al topo di muoversi altrettanto liberamente e dinamicamente come farebbe senza portare Mini2P sulla testa.

Mini2P è open-source
Mini2P è un’invenzione open-source disponibile presso l’Istituto Kavli per la Neuroscienza dei Sistemi alla NTNU di Trondheim. May-Britt Moser ha detto:
«Crediamo che il Mini2P sia rivoluzionario, vogliamo condividerlo con neuroscienziati e laboratori di tutto il mondo. La quantità di dati di ricerca raccolti da ogni singola registrazione può anche giocare un ruolo nella riduzione del numero di animali utilizzati nella ricerca».
Il nuovo strumento potrebbe anche giocare un ruolo importante nella comprensione delle malattie del cervello. Edvard Moser ha affermato:
«La malattia di Alzheimer spesso inizia con un danno nella corteccia entorinale. Sappiamo che l’Alzheimer causa deficit nella capacità di navigazione e nella memoria, queste sono funzioni cerebrali che nascono dalla collaborazione congiunta di migliaia di cellule cerebrali. Il Mini2P utilizzando topi modificati per lo studio della malattia di Alzheimer, offre un modo per monitorare i cambiamenti nelle dinamiche tra migliaia di cellule in topi che si muovono liberamente. La capacità di etichettare diversi tipi di cellule, può anche permetterci di identificare quali cellule sono vulnerabili ai primi cambiamenti legati alla malattia di Alzheimer».

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About Pino Silvestri

Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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