I neuroscienziati del MIT hanno sviluppato un nuovo sensore di risonanza magnetica (MRI) che consente loro di monitorare l'attività neurale in profondità all'interno del cervello monitorando gli ioni di calcio.

Poiché gli ioni calcio sono direttamente collegati alla scarica neuronale, a differenza dei cambiamenti nel flusso sanguigno rilevati da altri tipi di risonanza magnetica, che forniscono un segnale indiretto:questo nuovo tipo di rilevamento potrebbe consentire ai ricercatori di collegare funzioni cerebrali specifiche al loro modello di attività neuronale, e per determinare come le regioni cerebrali distanti comunicano tra loro durante particolari compiti.

"Le concentrazioni di ioni calcio sono strettamente correlate agli eventi di segnalazione nel sistema nervoso, "dice Alan Jasanoff, un professore di ingegneria biologica del MIT, cervello e scienze cognitive, e la scienza e l'ingegneria nucleare, un membro associato del McGovern Institute for Brain Research del MIT, e l'autore senior dello studio. "Abbiamo progettato una sonda con un'architettura molecolare in grado di rilevare cambiamenti relativamente sottili nel calcio extracellulare che sono correlati all'attività neurale".

Nei test sui ratti, i ricercatori hanno dimostrato che il loro sensore di calcio può rilevare con precisione i cambiamenti nell'attività neurale indotti dalla stimolazione chimica o elettrica, profondo all'interno di una parte del cervello chiamata striato.

I ricercatori del MIT Satoshi Okada e Benjamin Bartelle sono gli autori principali dello studio, che appare nel numero del 30 aprile di Nanotecnologia della natura . Altri autori includono il professore di scienze cerebrali e cognitive Mriganka Sur, Associato di ricerca Nan Li, postdoc Vincent Breton-Provencher, l'ex postdoc Elisenda Rodriguez, Jiyoung Lee, studente universitario del Wellesley College, e lo studente delle superiori James Melican.

Monitoraggio del calcio

Un pilastro della ricerca neuroscientifica, La risonanza magnetica consente agli scienziati di identificare le parti del cervello che sono attive durante particolari compiti. Il tipo più comunemente usato, nota come risonanza magnetica funzionale, misura il flusso sanguigno nel cervello come marker indiretto dell'attività neurale. Jasanoff e i suoi colleghi volevano escogitare un modo per mappare i modelli di attività neurale con specificità e risoluzione che le tecniche di risonanza magnetica basate sul flusso sanguigno non possono raggiungere.

"I metodi in grado di mappare l'attività cerebrale nei tessuti profondi si basano su cambiamenti nel flusso sanguigno, e quelli sono accoppiati all'attività neurale attraverso molti percorsi fisiologici diversi, " dice Jasanoff. "Di conseguenza, il segnale che vedi alla fine è spesso difficile da attribuire a una particolare causa sottostante."

flusso di ioni di calcio, d'altra parte, può essere direttamente collegato con l'attività dei neuroni. Quando un neurone emette un impulso elettrico, gli ioni di calcio si precipitano nella cellula. Da circa un decennio, i neuroscienziati hanno utilizzato molecole fluorescenti per etichettare il calcio nel cervello e visualizzarlo con la microscopia tradizionale. Questa tecnica consente loro di monitorare con precisione l'attività dei neuroni, ma il suo uso è limitato a piccole aree del cervello.

Il team del MIT ha cercato di trovare un modo per visualizzare il calcio usando la risonanza magnetica, che consente di analizzare volumi di tessuto molto più grandi. Fare quello, hanno progettato un nuovo sensore in grado di rilevare sottili cambiamenti nelle concentrazioni di calcio al di fuori delle cellule e rispondere in un modo che può essere rilevato con la risonanza magnetica.

Il nuovo sensore è costituito da due tipi di particelle che si raggruppano in presenza di calcio. Uno è una proteina naturale legante il calcio chiamata sinaptotagmina, e l'altro è una nanoparticella di ossido di ferro magnetico rivestita di un lipide che può anche legarsi alla sinaptotagmina, ma solo quando è presente il calcio.

Il legame del calcio induce queste particelle ad aggregarsi, facendoli apparire più scuri in un'immagine MRI. Alti livelli di calcio al di fuori dei neuroni sono correlati a una bassa attività neuronale; quando le concentrazioni di calcio diminuiscono, significa che i neuroni in quell'area stanno emettendo impulsi elettrici.

Rilevare l'attività cerebrale

Per testare i sensori, i ricercatori li hanno iniettati nello striato dei ratti, una regione coinvolta nella pianificazione del movimento e nell'apprendimento di nuovi comportamenti. Hanno quindi dato ai ratti uno stimolo chimico che induce brevi periodi di attività neurale, e ha scoperto che il sensore di calcio rifletteva questa attività.

Hanno anche scoperto che il sensore rilevava l'attività indotta dalla stimolazione elettrica in una parte del cervello coinvolta nella ricompensa.

L'attuale versione del sensore risponde entro pochi secondi dalla stimolazione cerebrale iniziale, ma i ricercatori stanno lavorando per accelerarlo. Stanno anche cercando di modificare il sensore in modo che possa diffondersi in una regione più ampia del cervello e passare attraverso la barriera emato-encefalica, che permetterebbe di consegnare le particelle senza iniettarle direttamente nel sito di prova.

Con questo tipo di sensore, Jasanoff spera di mappare i modelli di attività neurale con maggiore precisione di quanto sia ora possibile. "Potresti immaginare di misurare l'attività del calcio in diverse parti del cervello e cercare di determinare, ad esempio, come i diversi tipi di stimoli sensoriali sono codificati in modi diversi dal modello spaziale dell'attività neurale che inducono, " lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.