Dal MIT un nuovo microscopio per tracciare l'attività elettrica dell'intero cervello in millisecondi

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno sviluppato una tecnica di microscopia ad alta velocità in grado di registrare l'attività elettrica dei neuroni distribuiti nell'intero cervello dell'organismo modello Danio rerio, comunemente noto come pesce zebra. La metodologia, descritta sulla rivista Nature Methods, permette di superare i limiti temporali dell'imaging del calcio, tecnica che misura i flussi di calcio intracellulari come indicatore indiretto dell'attività neurale ma con tempi di risposta nell'ordine dei secondi. Rilevando direttamente le variazioni di potenziale elettrico, gli scienziati sono stati in grado di tracciare i segnali su scala di millisecondi.

Ed Boyden, docente di neurotecnologia presso il McGovern Institute for Brain Research del MIT e autore principale dello studio, ha dichiarato: "Tutte le parti del cervello sono collegate tra loro, quindi se si vuole comprendere davvero il cervello, bisogna capire come tutti i neuroni lavorano insieme come un insieme emergente”. Per ottenere una risoluzione temporale adeguata alla cattura dei singoli impulsi, il team ha apportato modifiche a un microscopio a foglio di luce, incrementando la velocità di acquisizione della fotocamera e adottando la tecnica del rimescolamento focale remoto per velocizzare la scansione dei volumi tridimensionali. 

Jie Zhang, coautore dello studio ed ex ricercatore post-doc presso il MIT, ha affermato: “L'imaging del calcio è intrinsecamente molto lento, quindi si parla di registrare l'attività nell'ordine di secondi o persino minuti. In genere questo è troppo lento per permetterci di osservare molte di queste attività neurali ad alta velocità. I neuroni elaborano le informazioni utilizzando l'attività elettrica, quindi con l'imaging di voltaggio è possibile ottenerne un'osservazione diretta”. L'applicazione pratica ha previsto l'ingegnerizzazione genetica dei neuroni delle larve di pesce zebra per esprimere l'indicatore fluorescente Positron2-Kv, consentendo al microscopio di scansionare l'intero encefalo 200 volte al secondo, ovvero con un campionamento ogni 5 millisecondi.

Zeguan Wang, coautore della ricerca, ha spiegato: “Diversi gruppi di neuroni distribuiti in tutto il cervello si coordinano a scala temporale di millisecondi per generare un'ampia serie di comportamenti e calcoli cerebrali. Per comprenderne i principi, abbiamo bisogno della tecnologia per osservare la loro attività contemporaneamente, in tutto il cervello, in modo da non perdere alcun neurone partecipante fondamentale”. Le rilevazioni condotte durante la somministrazione di stimoli luminosi ultravioletti hanno evidenziato la propagazione sequenziale dell'impulso dal tetto ottico verso altre strutture dell'encefalo, inclusi il cervelletto e il romboencefalo. La ricerca, sostenuta dai National Institutes of Health e dalla BRAIN Initiative, proseguirà con l'obiettivo di incrementare la percentuale di neuroni tracciabili e di estendere la metodologia ai modelli mammiferi come i topi.

Questa tecnologia cambia il modo in cui studiamo la mente perché supera il principale limite della neuroscienza moderna: dover scegliere tra vedere tutto il cervello oppure vederlo alla velocità reale con cui pensa. Finora, gli strumenti scientifici costringevano a un compromesso, consentendo di osservare solo una piccola area ad alta velocità o l'intero encefalo a rallentatore.

La svolta del MIT permette di osservare per la prima volta la rete cerebrale nella sua interezza mentre elabora i pensieri in tempo reale. Questo apre la strada alla comprensione diretta di come nascono le decisioni, le percezioni visive e le emozioni, oltre a fornire una base conoscitiva fondamentale per studiare l'origine di patologie neurologiche complesse come l'epilessia, l'autismo o le malattie neurodegenerative.