I neuroni sono cellule cerebrali che comunicano tra loro inviando segnali elettrochimici lungo gli assoni. Quando un neurone sta per rilasciare un segnale sotto forma di carica elettrica, permette agli ioni di passare attraverso la sua membrana tramite canali ionici. Questo trasferimento di ioni crea una differenza di potenziale elettrico tra l'interno e l'esterno della cellula, e tale differenza è indicata come potenziale di membrana.

Un team di ricercatori del Laboratorio di biofotonica fondamentale (LBP) all'interno della School of Engineering (STI) dell'EPFL ha escogitato un modo per monitorare i cambiamenti nel potenziale di membrana e osservare i flussi di ioni studiando il comportamento delle molecole d'acqua che circondano le membrane di i neuroni. I ricercatori, che hanno testato con successo il loro metodo su neuroni di topo in vitro, hanno appena pubblicato i loro risultati in Comunicazioni sulla natura .

Niente più elettrodi o fluorofori

Una migliore comprensione dell'attività elettrica dei neuroni potrebbe fornire informazioni su una serie di processi che avvengono nel nostro cervello. Per esempio, gli scienziati potrebbero vedere se un neurone è attivo o a riposo, o se sta rispondendo al trattamento farmacologico. Fino ad ora, l'unico modo per monitorare i neuroni era iniettare fluorofori in, o attaccando elettrodi su, la parte del cervello studiata, ma i fluorofori possono essere tossici, e gli elettrodi possono danneggiare i neuroni.

Recentemente, i ricercatori di LBP hanno sviluppato un modo per tracciare l'attività elettrica nei neuroni semplicemente osservando le interazioni tra le molecole d'acqua e le membrane neurali. "I neuroni sono circondati da molecole d'acqua, che cambiano orientamento in presenza di una carica elettrica, "dice Sylvie Roke, direttore della LBP. "Quando il potenziale di membrana cambia, le molecole d'acqua si riorienteranno e possiamo osservarlo."

Nel loro studio, i ricercatori hanno alterato il potenziale della membrana neuronale sottoponendo i neuroni a un rapido afflusso di ioni potassio. Ciò ha fatto sì che i canali ionici sulla superficie dei neuroni, che servono a regolare il potenziale di membrana, si aprissero e lasciassero passare gli ioni. I ricercatori hanno quindi interrotto il flusso di ioni, e i neuroni rilasciarono gli ioni che avevano raccolto.

Al fine di monitorare questa attività, i ricercatori hanno sondato le membrane lipidiche neuronali idratate illuminando le cellule con due raggi laser della stessa frequenza. Questi fasci sono costituiti da impulsi laser a femtosecondi -utilizzando una tecnologia per la quale è stato assegnato il premio Nobel per la fisica 2018- in modo che le molecole d'acqua sull'interfaccia della membrana generino fotoni con una frequenza diversa, nota come luce di seconda armonica.

"Vediamo implicazioni sia fondamentali che applicate della nostra ricerca. Non solo può aiutarci a capire i meccanismi che il cervello usa per inviare informazioni, ma potrebbe anche interessare le aziende farmaceutiche interessate ai test sui prodotti in vitro, " aggiunge Roke. "E ora abbiamo dimostrato che possiamo analizzare un singolo neurone o un numero qualsiasi di neuroni alla volta".