Un modo rivoluzionario per sbirciare i neuroni nel profondo del cervello

Il MIT crea un nuovo metodo per l’imaging cerebrale non invasivo in profondità e intracellulare

Fonte: caffè / pixabay

Una grande barriera nelle neuroscienze è la capacità dei ricercatori di condurre studi su un cervello vivo e funzionante senza chirurgia o sonde di impianto. Oggi i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno annunciato un nuovo metodo per monitorare i segnali neuronali in profondità in un cervello vivente in modo non invasivo e hanno pubblicato i loro risultati scientifici in Nature Communications.

In che modo i neuroscienziati osservano i neuroni?

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Gli scienziati moderni hanno studiato i neuroni utilizzando l’imaging del calcio per molti anni. Il calcio è un buon indicatore perché i livelli di concentrazione di calcio nei neuroni sono misurabili in modo diverso quando a riposo rispetto a quando attivo. Il livello di concentrazione di calcio intracellulare nei neuroni dei mammiferi è di circa 50-100 nanomolari a riposo, e ovunque da 10 a 100 volte maggiore quando eccitati.

Frequentemente i neuroscienziati immaginano l’attività dei neuroni per la ricerca non invasiva in un piatto di laboratorio con cellule in coltura. Mentre è possibile osservare l’attività in profondità di circa un millimetro nel tessuto intatto, per andare più in profondità è necessario ricorrere a tecniche più invasive che potrebbero comportare l’intervento chirurgico per installare le sonde.

Cosa rende questa scoperta una svolta?

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Alan Jasanoff, professore al MIT e autore principale dell’articolo, descrive la loro scoperta di ricerca “la prima rilevazione basata sulla risonanza magnetica della segnalazione di calcio intracellulare” per consentire misurazioni dell’attività in profondità all’interno di un cervello vivente.

Gli altri membri della ricerca includono Ali Barandov e Benjamin B. Bartelle (autori principali), insieme con i collaboratori Catherine G. Williamson, Emily S. Loucks e Stephen J. Lippard.

Il team ha creato un modo originale per l’immagine dell’attività dei neuroni negli animali vivi in ​​profondità e in modo non invasivo. Il principale elemento di differenziazione è che questo sensore non invasivo basato sulla risonanza magnetica (MRI) funziona a livello intracellulare, all’interno dei neuroni, rispetto all’esterno della cellula. Ora i neuroscienziati hanno un metodo per studiare non solo i neuroni ampiamente, ma anche profondamente nel cervello degli animali viventi senza la necessità di un intervento chirurgico o di sonde invasive.

Come ha fatto il team del Mit?

Qui è dove la chimica, la fisica e la comprensione della tecnologia di risonanza magnetica giocano un ruolo fondamentale nella scoperta.

La risonanza magnetica funziona manipolando i protoni (particelle subatomiche a carica positiva) nel corpo. Il corpo umano è per lo più acqua, che la formula chimica è H20 (due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno). Il corpo medio dell’adulto è di circa il 60-70% di acqua e il 75% di quello dei bambini. Quando il corpo umano è posto in un potente campo magnetico, i protoni al centro di ciascuno degli atomi di idrogeno del corpo si allineano nella stessa direzione.

Brevi scariche di onde radio vengono inviate alle aree bersaglio del corpo, interrompendo l’allineamento dei protoni nel processo. Dopo che le onde radio si sono fermate, i protoni che si riallineano trasmettono segnali radio che contengono informazioni sulla posizione del protone e protoni del tipo di tessuto in vari tipi di tessuti si riallineano a velocità variabili con segnali distintivi. Il protone segnala dall’immagine.

Per migliorare la qualità dell’immagine è necessario un maggiore contrasto. Agenti di contrasto chimici di elementi metallici sono usati con un chelatore per migliorare le immagini MRI. I chelanti servono come legante per impedire al metallo di depositarsi nel corpo umano come misura di sicurezza.

La chiave per la soluzione dei ricercatori del MIT è che hanno creato un indicatore che può penetrare nelle pareti cellulari di un neurone e creare un segnale che può essere rilevato dall’imaging a risonanza magnetica basato sulla concentrazione di calcio all’interno delle cellule.

I ricercatori del MIT hanno creato un sensore di calcio permeabile alle cellule per la RM molecolare dipendente dal calcio utilizzando una combinazione di un agente di contrasto costituito da manganese (un metallo) con un composto organico e un chelante del calcio che può formare legami con uno ione metallico.

Quando i neuroni sono a riposo e la concentrazione di calcio all’interno è relativamente bassa, il chelante del calcio formerà legami chimici con il manganese.

Ma quando il neurone è eccitato e la concentrazione di calcio all’interno della cellula è significativamente maggiore, il legame del chelante di calcio con il manganese si libererà invece di formare legami con il calcio.

L’aumento del manganese all’interno della cella aumenterà il contrasto e quindi la luminosità dell’immagine MRI. I sensori del team sono in grado di identificare e monitorare tali cambiamenti.

Perché questa scoperta è importante

I ricercatori hanno creato un utile per consentire studi neuroscientifici di precisione. Invece di tracciare i cambiamenti nel flusso sanguigno nel cervello attraverso la risonanza magnetica funzionale (fMRI), gli scienziati possono ora misurare la segnalazione che avviene all’interno delle cellule, che è di ordine di grandezza più preciso.

I meccanismi esatti di come funziona il cervello rimangono in gran parte, una scatola nera. Avere un metodo per esaminare i meccanismi interni in profondità nel cervello è vitale.

La neuroscienza è un’area critica della ricerca scientifica che influisce su molte altre discipline. È una branca della biologia multidisciplinare che integra psicologia, farmacologia biochimica, citologia, biologia molecolare, modellizzazione matematica, biologia dello sviluppo e anatomia.

Le scoperte nel campo delle neuroscienze portano a progressi nella medicina, nelle biotecnologie, nei farmaci e persino nella tecnologia. Ad esempio, il recente boom dell’intelligenza artificiale (AI) è in gran parte dovuto all’apprendimento profondo, che è un metodo di apprendimento automatico costituito da elementi strutturali come strati di reti neurali e nodi (analoghi ai neuroni) che erano in qualche modo ispirati al cervello biologico.

I dati demografici del mondo stanno cambiando, ponendo una maggiore enfasi sulle neuroscienze: lo studio del cervello e del sistema nervoso. Entro il 2050, le persone con più di 60 anni rappresenteranno circa il 25% o più della popolazione in ogni regione del mondo tranne l’Africa, secondo le stime delle Nazioni Unite.

Le malattie e i disturbi legati all’età sono un problema crescente poiché l’età media della popolazione mondiale aumenta. I problemi di salute mentale comuni agli anziani includono demenza, Alzheimer, Parkinson, convulsioni, disturbo bipolare, schizofrenia, depressione, ansia, SLA (malattia di Lou Gehrig) e deterioramento cognitivo. Ciò sottolinea una maggiore necessità di studi neuroscientifici per affrontare questo problema crescente.

Ci sono molte domande senza risposta riguardo al cervello. Cosa succede nel nostro cervello quando dormiamo, sogniamo o subiamo un’anestesia generale? Qual è la base neurale della percezione? Come fa il cervello a formare un’unica esperienza cosciente da vari input sensoriali distribuiti? Qual è la natura stessa della coscienza stessa? Comprendere il funzionamento interno dei neuroni in un cervello vivente può portare a soluzioni future che migliorano la condizione umana e aiutare a rispondere ad alcuni dei più grandi misteri che rendono perplessa l’umanità.

Ed è così che avere la capacità di scrutare in profondità l’attività intracellulare dei neuroni nel cervello in modo non invasivo può portare a progressi scientifici che hanno un profondo impatto sul futuro dell’umanità stessa.

Copyright © 2019 Cami Rosso Tutti i diritti riservati.

Riferimenti

Barandov, Ali, Bartelle, Benjamin B., Williamson, Catherine G., Loucks, Emily S., Lippard, Stephen J., Jasanoff, Alan. “Rilevare gli ioni di calcio intracellulare usando un mezzo di contrasto a risonanza magnetica a base di manganese.” Nature Communications. 22 febbraio 2019.

Trafton, Anne (2019, 22 febbraio). “Il nuovo sensore di risonanza magnetica può visualizzare l’attività in profondità all’interno del cervello.” Recuperato il 2-22-20109 da http://news.mit.edu/2019/mri-calcium-sensor-image-brain-0222

Grienberger, Christine, Konnerth, Arthur. “Imaging Calcium in Neurons.” Neuron . 8 marzo 2012.

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Richter, Brian. “Acqua che cammina. H20 e il corpo umano. ” National Geographic. 6 marzo 2012.

NIH (2018, 9 febbraio). “L’agente di contrasto MRI alternativo si comporta bene nello studio NIH”. Recuperato dal 2 al 22-2019 da https://www.nibib.nih.gov/news-events/newsroom/alternative-mri-contrast-agent-performs-well-nih -studia

Le Nazioni Unite. “Invecchiamento”. Ritirato dal 2 al 22-2019 da http://www.un.org/en/sections/issues-depth/ageing/