Il microscopio ad alta velocità può offrire informazioni sull'autismo e sulla schizofrenia

Si ritiene che alcuni disturbi cerebrali, come la schizofrenia, l'autismo e il ritardo mentale, siano causati da un malfunzionamento nella comunicazione delle cellule cerebrali e non abbiano segni fisici facili da rilevare che conducano alla diagnosi. In effetti, anche le fMRI e le scansioni PET sono in grado di offrire solo dettagli limitati dell'attività cerebrale in questi casi.

Ora i neuroscienziati dell'Università della California, Los Angeles (UCLA) hanno unito le forze con i fisici per sviluppare un microscopio non invasivo ad altissima velocità che cattura istantaneamente lo sparo di migliaia di neuroni nel cervello mentre comunicano - o in questi casi - comunicare male tra loro.

"A nostro avviso, questo è il microscopio a eccitazione a due fotoni più veloce al mondo per l'imaging tridimensionale in vivo", ha detto il professore di fisica dell'UCLA, il dottor Katsushi Arisaka, che ha sviluppato il sistema di imaging ottico con il dottor Carlos Portera-Cailliau, assistente professore dell'UCLA. di neurologia e neurobiologia e colleghi.

Poiché le malattie neuropsichiatriche come l'autismo, la schizofrenia e il ritardo mentale di solito non mostrano alcun danno fisico al cervello, si ritiene che siano causate da problemi di conduttività: i neuroni non si attivano correttamente. Le cellule normali hanno schemi di attività elettrica, ha detto Portera-Cailliau, ma l'attività cellulare irregolare nel suo insieme non crea informazioni utili che il cervello può utilizzare.

"Una delle più grandi sfide per la neuroscienza nel 21 ° secolo è capire come i miliardi di neuroni che formano il cervello comunicano tra loro per produrre comportamenti complessi", ha detto.

"Il vantaggio finale di questo tipo di ricerca verrà dalla decifrazione di come i modelli disfunzionali di attività tra i neuroni conducano a sintomi devastanti in una varietà di disturbi neuropsichiatrici".

Recentemente, Portera-Cailliau aveva utilizzato l'imaging del calcio, un metodo in cui i neuroni assorbono coloranti fluorescenti. Quando le cellule si attivano, "lampeggiano come le luci di un albero di Natale", ha detto. "Il nostro ruolo ora è decifrare il codice utilizzato dai neuroni, che è sepolto in quei modelli di luce lampeggiante".

Tuttavia, dice Portera-Cailliau, questa tecnica ha i suoi limiti.

“Il segnale del colorante fluorescente a base di calcio che abbiamo usato è sbiadito man mano che abbiamo ripreso più in profondità nella corteccia. Non siamo riusciti a visualizzare tutte le cellule ", ha detto.

Inoltre, Portera-Cailliau e il suo team credevano che mancassero informazioni importanti perché non erano in grado di catturare una sezione abbastanza grande del cervello abbastanza velocemente da misurare l'attivazione di gruppo dei singoli neuroni. Questo è stato il fattore chiave che ha spinto Arisaka e Adrian Cheng, uno dei suoi studenti laureati, a cercare un metodo più veloce per registrare i neuroni.

Il microscopio che hanno sviluppato è una microscopia multifocale a due fotoni con multiplexing spazio-temporale eccitazione-emissione (STEM). È una versione modificata di microscopi a scansione laser a due fotoni che registrano coloranti fluorescenti di calcio all'interno dei neuroni, ma con il raggio laser principale diviso in quattro fasci più piccoli.

Questa tecnica consente loro di registrare quattro volte più cellule cerebrali rispetto alla versione originale, quattro volte più velocemente. Inoltre, è stato utilizzato un raggio diverso per registrare i neuroni a varie profondità all'interno del cervello, conferendo all'immagine un effetto 3D completamente nuovo.

“La maggior parte delle videocamere sono progettate per acquisire un'immagine a 30 immagini al secondo. Quello che abbiamo fatto è stato accelerarlo di 10 volte a circa 250 immagini al secondo ", ha detto Arisaka. "E stiamo lavorando per renderlo ancora più veloce."

Il risultato, ha detto, "è un video tridimensionale ad alta risoluzione dell'attività dei circuiti neuronali in un animale vivente".

Portera-Cailliau sta già raccogliendo i frutti di questa tecnica di imaging nei suoi studi sulla sindrome dell'X fragile, una forma di autismo. Utilizzando questa nuova tecnologia, è in grado di confrontare la corteccia di un topo normale con un topo mutante dell'X Fragile e assistere al mancato funzionamento dei neuroni nel cervello dell'X Fragile.

Lo studio può essere trovato nell'edizione del 9 gennaio della rivista Metodi della natura.

Fonte: Università della California