Un microscopio di nuova concezione sta fornendo agli scienziati uno strumento notevolmente migliorato per studiare come i disturbi neurologici come l'epilessia e il morbo di Alzheimer influenzino la comunicazione neuronale. Il microscopio è ottimizzato per eseguire studi utilizzando tecniche optogenetiche, una tecnologia relativamente nuova che utilizza la luce per controllare e visualizzare i neuroni geneticamente modificati con proteine ​​sensibili alla luce.

"Il nostro nuovo microscopio può essere utilizzato per esplorare gli effetti di diverse mutazioni genetiche sulla funzione neuronale, ", ha affermato Adam Cohen dell'Università di Harvard, STATI UNITI D'AMERICA, e il capo del gruppo di ricerca che ha sviluppato il microscopio. "Un giorno potrebbe essere usato per testare gli effetti dei farmaci candidati sui neuroni derivati ​​da persone con disturbi del sistema nervoso per cercare di identificare farmaci per curare malattie che al momento non hanno cure adeguate".

Il nuovo microscopio, chiamato lucciola, può visualizzare un'area di 6 millimetri di diametro, più di cento volte più grande del campo visivo della maggior parte dei microscopi utilizzati per l'optogenetica. Piuttosto che studiare l'attività elettrica di un neurone, l'ampia area di imaging consente di attivare gli impulsi elettrici utilizzati dai neuroni per comunicare e quindi osservare quegli impulsi viaggiare da una cellula all'altra attraverso un grande circuito neurale contenente centinaia di cellule. Nel cervello, ogni neurone si connette tipicamente a mille altri neuroni, quindi visualizzare la rete più ampia è importante per capire come le malattie neurologiche influenzano la comunicazione neuronale.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica biomedica Express , Cohen e i suoi colleghi riferiscono di come hanno assemblato il nuovo microscopio per meno di $ 100, 000 utilizzando componenti quasi tutti disponibili in commercio. Il microscopio non solo riprende una vasta area, ma raccoglie anche la luce in modo estremamente efficiente. Ciò fornisce l'elevata qualità dell'immagine e l'elevata velocità necessarie per osservare gli impulsi elettrici neuronali che durano ciascuno solo un millesimo di secondo.

Usare la luce per vedere i neuroni che si attivano

Il nuovo microscopio è ideale per studiare i neuroni umani cresciuti in laboratorio. Nell'ultimo decennio, gli scienziati hanno sviluppato modelli di cellule umane per molti disturbi del sistema nervoso. Queste cellule possono essere geneticamente modificate per contenere proteine ​​sensibili alla luce che consentono agli scienziati di utilizzare la luce per attivare i neuroni o per controllare variabili come i livelli di neurotrasmettitori o l'aggregazione proteica. Altre proteine ​​fluorescenti sensibili alla luce trasformano gli impulsi elettrici invisibili provenienti dai neuroni in brevi lampi di fluorescenza che possono essere visualizzati e misurati.

Queste tecniche hanno permesso agli scienziati di studiare l'input e l'output dei singoli neuroni, ma i microscopi disponibili in commercio non sono ottimizzati per sfruttare appieno il potenziale degli approcci optogenetici. Per colmare questa lacuna tecnologica, i ricercatori hanno progettato il microscopio Firefly per stimolare i neuroni con uno schema complesso contenente un milione di punti di luce e quindi registrare i brevi lampi di luce fluorescente che corrispondono agli impulsi elettrici sparati dai neuroni.

Ogni pixel del pattern luminoso può stimolare indipendentemente una proteina fotosensibile. Poiché i pixel possono essere di molti colori distinti, diversi tipi di proteine ​​fotosensibili possono essere attivati ​​contemporaneamente. Il modello di luce può essere programmato per coprire un intero neurone, stimolare determinate aree di un neurone o essere utilizzato per illuminare più cellule contemporaneamente.

"Questo sistema ottico fornisce un milione di ingressi e un milione di uscite, permettendoci di vedere tutto quello che sta succedendo in queste culture neurali, " ha spiegato Cohen.

Dopo aver stimolato i neuroni, il microscopio utilizza una telecamera a mille fotogrammi al secondo per catturare la fluorescenza indotta dagli impulsi elettrici estremamente brevi. "Il sistema ottico deve essere altamente efficiente per rilevare buoni segnali entro un millisecondo, " ha detto Cohen. "Una grande quantità di ingegneria è stata dedicata allo sviluppo di ottiche in grado non solo di riprendere una vasta area, ma di farlo con un'efficienza di raccolta della luce molto elevata".

Per raccogliere efficacemente la luce su una vasta area, il microscopio Firefly utilizza una lente dell'obiettivo delle dimensioni di una lattina di soda anziché la lente dell'obiettivo delle dimensioni di un pollice utilizzata dalla maggior parte dei microscopi. I ricercatori hanno anche utilizzato una configurazione ottica che aumenta la quantità di luce che stimola i neuroni per garantire che i neuroni emettano una fluorescenza brillante quando sparano.

"L'unico elemento personalizzato nel microscopio è un piccolo prisma posto tra i neuroni e la lente dell'obiettivo, " ha spiegato Cohen. "Questo importante componente fa sì che la luce viaggi lungo lo stesso piano delle cellule anziché entrare nel campione perpendicolarmente. Ciò impedisce alla luce di illuminare il materiale sopra e sotto le celle, diminuendo la fluorescenza di fondo che renderebbe difficile vedere la fluorescenza effettivamente proveniente dai neuroni".

Guardando 85 neuroni contemporaneamente

I ricercatori hanno dimostrato il loro nuovo microscopio utilizzandolo per stimolare otticamente e registrare la fluorescenza da neuroni umani in coltura. "I neuroni erano un grosso groviglio di spaghetti, " ha detto Cohen. "Abbiamo dimostrato che era possibile risolvere 85 singoli neuroni contemporaneamente in una misurazione che richiedeva circa 30 secondi".

Dopo la stimolazione iniziale e l'imaging, i ricercatori sono stati in grado di trovare 79 di quelle 85 cellule una seconda volta. Questa capacità è importante per gli studi che richiedono l'acquisizione di immagini di ogni cellula prima e dopo l'esposizione a un farmaco, Per esempio.

In una seconda dimostrazione, i ricercatori hanno usato il microscopio per mappare le onde elettriche che si propagano attraverso le cellule cardiache coltivate. Ciò ha dimostrato che il microscopio potrebbe essere utilizzato per studiare i ritmi cardiaci anormali, che si verificano quando i segnali elettrici che coordinano i battiti cardiaci non funzionano correttamente.

"Il sistema che abbiamo sviluppato è progettato per esaminare un campione relativamente piatto come cellule coltivate, " ha detto Cohen. "Stiamo ora sviluppando un sistema per eseguire approcci optogenetici in tessuti intatti, il che ci consentirebbe di osservare come si comportano questi neuroni nel loro contesto nativo".

I ricercatori hanno anche avviato una società di biotecnologie chiamata Q-State Biosciences che utilizza una versione migliorata del microscopio per collaborare con le aziende farmaceutiche alla scoperta di farmaci.