Questo potrebbe presto cambiare. Come i ricercatori di Stanford riferiscono il 12 dicembre in Light: Science and Applications, hanno sviluppato un modo per guardare le cellule cerebrali inviare segnali elettrici utilizzando solo la luce, alcune lenti e altri elementi ottici, e una videocamera veloce.

La chiave per il nuovo approccio, ha detto Daniel Palanker, un professore di oftalmologia e autore senior sul nuovo documento, è che quando i neuroni sparare segnali elettrici sottilmente cambiare forma. Quel cambiamento su scala nanometrica può essere misurato utilizzando tecniche ottiche.

Finora, Palanker, Tong Ling, un borsista post-dottorato e l’autore principale sul nuovo documento, e colleghi hanno misurato quei minuscoli cambiamenti di forma in reti di cellule simili a neuroni in un piatto di laboratorio. Ora stanno adattando i loro metodi per studiare i neuroni nel cervello degli animali viventi. Se questo funziona, potrebbe portare a un modo più naturale di studiare almeno alcune parti del cervello.

“È tutto naturale, nessun marcatore chimico, nessun elettrodo, niente. Sono solo cellule così come sono”, ha detto Palanker, che è un membro di Stanford Bio-X e del Wu Tsai Neurosciences Institute.

La forma delle cose

Molte cose accadono quando i neuroni sparano. C’è naturalmente il segnale elettrico stesso, che può essere raccolto dagli elettrodi. Ci sono anche cambiamenti chimici, che possono essere rilevati utilizzando molecole fluorescenti che si illuminano quando un neurone si accende.

E poi c’è la forma. I ricercatori hanno capito per la prima volta che i neuroni cambiano forma studiando i neuroni dei gamberi più di 40 anni fa. Nel 1977 un team di ricercatori di Stanford e UCSF ha fatto rimbalzare un laser su un neurone di gambero mentre sparava e ha mostrato che la sua larghezza cambiava all’incirca dello spessore di un filamento di DNA umano.

Ma tradurre quei risultati in un modo di osservare otticamente i neuroni che sparano nel cervello umano o di altri mammiferi ha affrontato una serie di sfide. Per prima cosa, i neuroni dei gamberi sono da 10 a 100 volte più spessi di quelli dei mammiferi. Per un altro, la tecnica che gruppo originale utilizzato – una semplice forma di ciò che è chiamato interferometria – può solo misurare i cambiamenti in un singolo punto alla volta, che significa che potrebbe essere utilizzato per studiare solo una piccola area di una cella alla volta, piuttosto che imaging l’intera cella o anche una rete di neuroni che comunicano tra loro nel cervello.

Shining new light on neuron firing

Per risolvere alcuni di questi problemi, Ling, Palanker e colleghi si sono rivolti a una variazione dell’interferometria standard chiamata microscopia di fase quantitativa che permette ai ricercatori di mappare interi paesaggi microscopici – per esempio, il paesaggio di una rete di cellule disposte su una piastra di vetro. La tecnica è abbastanza semplice che può essere fatta facendo brillare la luce laser attraverso quelle cellule, facendola passare attraverso alcune lenti, filtri e altri elementi ottici e filtri, e registrando l’output con una telecamera. Quell’immagine può poi essere elaborata per creare una mappa topografica delle cellule.

Ling, Palanker e il team hanno pensato di poter utilizzare la tecnica per misurare quanto i neuroni cambiano forma quando sparano. Per testare l’idea, hanno fatto crescere una rete di cellule simili ai neuroni su una lastra di vetro e hanno usato una videocamera per registrare cosa succedeva quando le cellule – in realtà cellule derivate dal rene modificate per comportarsi più come neuroni – sparavano. Sincronizzando il video con le registrazioni elettriche e facendo una media su diverse migliaia di esempi, il team ha creato un modello che descrive come le cellule si muovono quando sparano: in circa quattro millisecondi, lo spessore delle cellule aumenta di circa tre nanometri, un cambiamento di circa un centesimo dell’1%. Una volta raggiunto il massimo spessore, la cellula impiega circa un altro decimo di secondo per rimpicciolirsi.

Guardare le cellule del cervello al lavoro

Nella fase iniziale dell’esperimento, il team aveva bisogno di elettrodi per capire quando le cellule sparavano. Nella seconda fase, i membri del team hanno dimostrato di poter usare il loro modello per cercare e identificare l’accensione delle cellule senza fare affidamento sugli elettrodi.

Ancora, ci sono una serie di passi da fare prima che il team possa far funzionare il metodo nei cervelli reali. In primo luogo, il team dovrà far funzionare la tecnica nei neuroni reali, al contrario delle cellule simili ai neuroni che hanno guardato finora. “I neuroni sono più schizzinosi”, ha detto Palanker, ma il team ha già iniziato a sperimentare con loro.

Una seconda sfida è che i neuroni nel cervello reale non sono disposti in un singolo strato su una lastra di vetro, come lo erano le cellule studiate dal laboratorio di Palanker. In particolare, il team non può far brillare il laser attraverso il cervello e aspettarsi di vedere molto di qualcosa uscire dall’altra parte, per non parlare dei dati utili. Fortunatamente, Palanker ha detto, le tecniche che hanno usato con la luce trasmessa funzionano allo stesso modo nella luce riflessa, e la maggior parte dei neuroni riflettono abbastanza luce che l’approccio dovrebbe in teoria funzionare.

C’è una limitazione che il team probabilmente non sarà in grado di aggirare – poiché la luce non penetra in profondità nel cervello, il nuovo metodo sarà solo in grado di sondare gli strati esterni. Eppure, per i progetti che hanno bisogno di studiare solo questi strati, la tecnica potrebbe dare ai ricercatori un modo più semplice e pulito per studiare il cervello.

“Di solito, i metodi invasivi influenzano ciò che le cellule fanno, rendendo le misure meno affidabili”, ha detto Palanker. “Qui non si fa nulla alle cellule. Fondamentalmente si guarda solo il loro movimento”

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