Un mesoscopio indossabile da appena 1,0 grammo ha permesso di registrare l’attività di oltre 8.500 neuroni alla volta in topi liberi di muoversi. Il dispositivo, chiamato Airscope, offre un campo visivo di 6 millimetri e trasmette i dati senza cavi, superando alcuni dei limiti che finora hanno ostacolato lo studio del cervello durante comportamenti naturali.
A svilupparlo sono stati ricercatori dell’Università Tsinghua e della Scuola di medicina dell’Esercito popolare di liberazione cinese. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature. Airscope è un mesoscopio miniaturizzato: uno strumento per acquisire immagini di aree di tessuto più ampie di quelle osservate con un microscopio convenzionale, mantenendo una risoluzione sufficiente a distinguere le singole cellule.
Le apparecchiature collegate via cavo possono limitare i movimenti degli animali da laboratorio, rendendo difficile osservare l’attività cerebrale mentre esplorano o interagiscono. Anche i microscopi indossabili tradizionali impongono un compromesso: quelli più leggeri riprendono una porzione di tessuto neurale larga meno di un millimetro, mentre quelli con un campo visivo maggiore richiedono supporti pesanti o cavi. Airscope è stato progettato per combinare un’ampia area di osservazione con un peso abbastanza ridotto da non impedire i movimenti.
Secondo il gruppo, un collegamento wireless su misura consente di acquisire immagini del calcio in oltre 8.500 neuroni per animale, un aumento di 25 volte rispetto alle possibilità precedenti descritte dai ricercatori. L’imaging del calcio sfrutta le variazioni di questo elemento nelle cellule per seguire l’attività neuronale.
Come riferisce il South China Morning Post (SCMP), gli ingegneri hanno ridotto di quasi cinque ordini di grandezza le dimensioni di un apparato da laboratorio da banco, grazie a componenti ottici e digitali progettati appositamente. Algoritmi specifici hanno permesso di modellare lenti asferiche, cioè con superfici non sferiche, riducendo di quasi due terzi la lunghezza del percorso ottico. Un sensore da due megapixel comprime i dati direttamente nel dispositivo e li trasmette a 12,5 Hz.
Nei test, i topi dotati di Airscope si muovevano in habitat con rampe, cavità negli alberi e rifugi, arrampicandosi e scavando. Durante queste attività il dispositivo registrava in tempo reale l’attività neuronale su un campo visivo di 6 millimetri.
Le registrazioni hanno permesso di individuare schemi distinti di attività nelle regioni dorsali del cervello associati alla dominanza sociale. I segnali raccolti hanno inoltre consentito di prevedere quale topo avrebbe vinto una competizione prima che terminasse. In altri esperimenti, Airscope ha mappato ricordi legati alla posizione della ricompensa durante percorsi in un labirinto e ha seguito i segnali tra midollo spinale e cervello durante risposte di paura.
«Durante l’esplorazione del labirinto osserviamo schemi di attività corticale associati alla posizione della ricompensa e caratterizziamo l’influenza causale secondo Granger dal midollo spinale alla corteccia durante il condizionamento della paura, grazie alle registrazioni simultanee di cervello e midollo spinale», scrivono i ricercatori. L’“influenza causale secondo Granger” è un metodo statistico che valuta se le variazioni di un segnale aiutano a prevedere quelle di un altro: non dimostra, da solo, un rapporto di causa ed effetto.
Il gruppo sostiene che la combinazione di registrazioni su larga scala, risoluzione cellulare e libertà di movimento renda praticabili esperimenti corticali in condizioni più naturali e su più animali. Airscope potrebbe essere esteso in futuro anche oltre le neuroscienze, per esempio alla ricerca in immunologia e sul cancro; si tratta però di possibili applicazioni, non di risultati già dimostrati.
Fonte: interestingengineering.com
