Il cervello umano ha miliardi di neuroni. Lavorando insieme, abilitano funzioni cerebrali di ordine superiore come la cognizione e i comportamenti complessi. Per studiare queste funzioni cerebrali di ordine superiore, è importante capire come l'attività neurale è coordinata tra le varie regioni del cervello.
Sebbene tecniche come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) siano in grado di fornire informazioni sull’attività cerebrale, possono mostrare solo un certo numero di informazioni per un dato momento e un’area. La microscopia a due fotoni che prevede l'uso di finestre craniche è un potente strumento per produrre immagini ad alta risoluzione, ma le finestre craniche convenzionali sono piccole, rendendo difficile studiare contemporaneamente regioni cerebrali distanti.
Ora, un team di ricercatori guidato dal Centro di ricerca esplorativa sulla vita e sui sistemi viventi (ExCELLS) e dall’Istituto nazionale per le scienze fisiologiche (NIPS) ha introdotto un nuovo metodo per l’imaging del cervello in vivo, consentendo l’osservazione su larga scala e a lungo termine delle strutture e delle attività neuronali nei topi svegli.
Questo metodo è chiamato "nanofoglio incorporato in resina fotopolimerizzabile" (NIRE) e utilizza nanofogli di fluoropolimero ricoperti con resina fotopolimerizzabile per creare finestre craniche più grandi.
"Il metodo NIRE è superiore ai metodi precedenti perché produce finestre craniche più grandi di quanto possibile in precedenza, che si estendono dalla corteccia parietale al cervelletto, utilizzando il nanofoglio biocompatibile e la resina trasparente fotopolimerizzabile che cambia forma da liquida a solida", afferma l'autore principale Taiga Takahashi dell'Università delle Scienze di Tokyo e ExCELLS.
Nel metodo NIRE, la resina fotopolimerizzabile viene utilizzata per fissare il CYTOP rivestito di ossido di polietilene (PEO-CYTOP), un nanofoglio bioinerte e trasparente, sulla superficie del cervello. Questo crea una "finestra" che si adatta perfettamente alla superficie del cervello, anche alla superficie altamente curva del cervelletto, e mantiene la sua trasparenza per lungo tempo con poco stress meccanico, consentendo ai ricercatori di osservare più regioni cerebrali di topi viventi.
"Inoltre, abbiamo dimostrato che la combinazione di nanofogli PEO-CYTOP e resina fotopolimerizzabile ha consentito la creazione di finestre craniche più resistenti con maggiore trasparenza per periodi di tempo più lunghi rispetto al nostro metodo precedente. Di conseguenza, c'erano pochi artefatti da movimento, che si tratta di distorsioni delle immagini causate dai movimenti dei topi svegli," spiega Takahashi.
Le finestre craniche consentivano l'imaging ad alta risoluzione con una risoluzione submicrometrica, rendendole adatte per l'osservazione della morfologia e dell'attività delle strutture neurali fini.
"È importante sottolineare che il metodo NIRE consente di eseguire l'imaging per un periodo più lungo, superiore a 6 mesi, con un impatto minimo sulla trasparenza. Ciò dovrebbe consentire di condurre ricerche a lungo termine sulla neuroplasticità a vari livelli, dal livello di rete a quello cellulare. livello, così come durante la maturazione, l'apprendimento e la neurodegenerazione," spiega l'autore corrispondente Tomomi Nemoto presso ExCELLS e NIPS.
Questo studio rappresenta un risultato significativo nel campo del neuroimaging perché questo nuovo metodo fornisce ai ricercatori un potente strumento per studiare processi neurali che in precedenza erano difficili o impossibili da osservare. Nello specifico, la capacità del metodo NIRE di creare ampie finestre craniche con trasparenza prolungata e meno artefatti da movimento dovrebbe consentire l'imaging cerebrale in vivo su larga scala, a lungo termine e su più scala.
"Il metodo è promettente per svelare i misteri dei processi neurali associati alla crescita e allo sviluppo, all'apprendimento e ai disturbi neurologici. Le potenziali applicazioni includono indagini sulla codifica della popolazione neurale, sul rimodellamento dei circuiti neurali e sulle funzioni cerebrali di ordine superiore che dipendono da un'attività coordinata su vasta scala regioni distribuite", afferma Nemoto.
In sintesi, il metodo NIRE fornisce una piattaforma per studiare i cambiamenti neuroplastici a vari livelli per periodi prolungati in animali svegli e impegnati in vari comportamenti, il che presenta nuove opportunità per migliorare la nostra comprensione della complessità e del funzionamento del cervello.
Ulteriori informazioni: Taiga Takahashi et al, Finestra cranica su larga scala per l'imaging del cervello di topo in vivo utilizzando nanofogli di fluoropolimero e resina fotopolimerizzabile, Biologia delle comunicazioni (2024).
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