Il segnale dell'imaging ottico (in alto) corrisponde al segnale di un array di elettrodi (in basso). Credito:Daniel Palanker, dottorato di ricerca, Università di Stanford.
Gli scienziati hanno molti modi per osservare i singoli neuroni in un incendio cerebrale, inviare segnali elettrici da uno all'altro, ma tutti condividono un problema di fondo. Ogni metodo, se si tratta di sonde elettriche, agenti chimici o modificazioni genetiche, è in qualche modo più invasivo di quanto i neuroscienziati vorrebbero.
Questo potrebbe presto cambiare. Come riportano i ricercatori di Stanford il 12 dicembre in Luce:scienza e applicazioni , hanno sviluppato un modo per osservare le cellule cerebrali inviare segnali elettrici usando solo la luce, alcune lenti e altri elementi ottici, e una videocamera veloce.
La chiave del nuovo approccio, disse Daniel Palanker, un professore di oftalmologia e autore senior del nuovo articolo, è che quando i neuroni inviano segnali elettrici cambiano leggermente forma. Quel cambiamento su scala nanometrica può essere misurato usando tecniche ottiche.
Finora, Palanker, Tong Ling, un borsista post-dottorato e l'autore principale del nuovo documento, e colleghi hanno misurato quei minuscoli cambiamenti di forma in reti di cellule simili a neuroni in un piatto da laboratorio. Ora stanno adattando i loro metodi per studiare i neuroni nel cervello degli animali viventi. Se funziona, potrebbe portare a un modo più naturale di studiare almeno alcune parti del cervello.
"È tutto naturale, nessun marcatore chimico, niente elettrodi, niente. Sono solo le cellule così come sono, "disse Palanker, che è membro di Stanford Bio-X e del Wu Tsai Neurosciences Institute.
La forma delle cose
Succedono molte cose quando i neuroni si attivano. C'è ovviamente il segnale elettrico stesso, che può essere prelevato da elettrodi. Ci sono anche cambiamenti chimici, che può essere rilevato utilizzando molecole fluorescenti che si illuminano quando un neurone si attiva.
E poi c'è la forma. I ricercatori si sono resi conto per la prima volta che i neuroni cambiano forma studiando i neuroni dei gamberi più di 40 anni fa. Nel 1977 un team di ricercatori di Stanford e UCSF fece rimbalzare un laser su un neurone di gambero mentre sparava e mostrò che la sua larghezza era cambiata all'incirca dello spessore di un filamento di DNA umano.
Tuttavia, tradurre questi risultati in un modo per osservare otticamente i neuroni che si attivano nel cervello umano o di altri mammiferi ha dovuto affrontare una serie di sfide. Per una cosa, i neuroni dei gamberi sono da 10 a 100 volte più spessi dei neuroni dei mammiferi. Per un altro, la tecnica utilizzata dal gruppo originale, una forma semplice di quella che viene chiamata interferometria, può misurare solo i cambiamenti in un singolo punto alla volta, il che significa che potrebbe essere usato per studiare solo una piccola area di una cellula alla volta, piuttosto che visualizzare l'intera cellula o anche una rete di neuroni che comunicano tra loro nel cervello.
Il video mostra un campo di cellule che sparano in un'onda da sinistra a destra. I punti neri sono elettrodi che registrano segnali elettrici simultanei. Credito:Daniel Palanker, dottorato di ricerca, Università di Stanford.
Nuova luce sull'attivazione dei neuroni
Per risolvere alcuni di questi problemi, Ling, Palanker e colleghi si sono inizialmente rivolti a una variazione dell'interferometria standard chiamata microscopia di fase quantitativa che consente ai ricercatori di mappare interi paesaggi microscopici, ad esempio, il paesaggio di una rete di celle disposte su una lastra di vetro. La tecnica è abbastanza semplice da poter essere eseguita facendo brillare la luce laser attraverso quelle cellule, passandolo attraverso alcune lenti, filtri e altri elementi ottici e filtri, e registrando l'output con una telecamera. Tale immagine può quindi essere elaborata per creare una mappa topografica delle celle.
Ling, Palanker e il team hanno pensato di poter utilizzare la tecnica per misurare quanto i neuroni cambiano forma quando si attivano. Per testare l'idea, hanno fatto crescere una rete di cellule simili a neuroni su una lastra di vetro e hanno usato una videocamera per registrare cosa è successo quando le cellule, in realtà cellule derivate dai reni modificate per comportarsi più come neuroni, si sono attivate. Sincronizzando il video con registrazioni elettriche e calcolando una media di diverse migliaia di esempi, il team ha creato un modello che descrive come si muovono le cellule quando si attivano:in circa quattro millisecondi, lo spessore delle cellule aumenta di circa tre nanometri, una variazione di circa un centesimo dell'1 per cento. Una volta raggiunto lo spessore massimo, la cella impiega circa un altro decimo di secondo per ridursi.
Guardare le cellule cerebrali al lavoro
Nella fase iniziale dell'esperimento, il team aveva bisogno di elettrodi per capire quando le celle si sono attivate. Nella seconda fase, i membri del team hanno dimostrato di poter utilizzare il loro modello per cercare e identificare l'attivazione delle cellule senza fare affidamento sugli elettrodi.
Ancora, ci sono una serie di passaggi da compiere prima che il team possa far funzionare il metodo in cervelli reali. Primo, il team dovrà far funzionare la tecnica nei neuroni reali, al contrario delle cellule simili a neuroni che hanno visto finora. "I neuroni sono più schizzinosi, "Palanker ha detto, ma il team ha già iniziato a sperimentarli.
Una seconda sfida è che i neuroni nel cervello reale non sono disposti in un unico strato su una lastra di vetro, così come le cellule studiate dal laboratorio di Palanker. In particolare, la squadra non può puntare laser attraverso il cervello e aspettarsi di vedere qualsiasi cosa uscire dall'altra parte, figuriamoci dati utili. Fortunatamente, Palanker ha detto, le tecniche che hanno usato con la luce trasmessa funzionano in modo simile nella luce riflessa, e la maggior parte dei neuroni riflette abbastanza luce che l'approccio dovrebbe funzionare in teoria.
C'è una limitazione che il team probabilmente non sarà in grado di aggirare, poiché la luce non penetra in profondità nel cervello, il nuovo metodo sarà in grado di sondare solo gli strati esterni. Ancora, per progetti che devono solo studiare questi livelli, la tecnica potrebbe dare ai ricercatori un detergente, modo più semplice per studiare il cervello.
"Generalmente, metodi invasivi influenzano ciò che fanno le cellule, rendendo quindi le misurazioni meno affidabili, " Disse Palanker. "Qui non si fa niente alle cellule. Fondamentalmente li guardi muoversi".
