Come gli scienziati del cervello superano in astuzia i loro topi da laboratorio

Gli scienziati possono ora osservare il cervello degli animali da laboratorio in dettaglio microscopico mentre gli animali svolgono qualche azione. Una tecnica chiamata imaging a due fotoni, in particolare, consente ai neuroscienziati di osservare migliaia di neuroni che lavorano insieme per codificare le informazioni.

Un topo è pronto per entrare in un sistema di realtà virtuale in cui il suo cervello può essere ripreso mentre pensa di correre in un labirinto.

Il problema è che l'imaging a due fotoni richiede che la testa dell'animale rimanga fissata in posizione. Ciò sembrerebbe precludere la visione del cervello mentre l'animale fa qualcosa di molto interessante.

Una soluzione creativa è la realtà virtuale, un ambiente generato dal computer sperimentato attraverso un visore. Alcuni anni fa i neuroscienziati hanno iniziato a progettare minuscoli sistemi di realtà virtuale per ingannare i topi facendogli pensare che stessero navigando in un labirinto quando stavano davvero correndo sulla cima di una grande palla, con la testa fissata in posizione.

Fino ad ora, tuttavia, i topi non correvano sulla palla fino a quando non avevano avuto settimane di allenamento. Nicholas Sofroniew, in collaborazione con altri presso l'HHMI Janelia Campus in Virginia, ha creato un labirinto virtuale tattile che i topi sembrano capire subito: navigano attraverso corridoi virtuali senza formazione. Più recentemente, ha lavorato con Jeremy Freeman per espandere la complessità del sistema.

È progettato per sfruttare il modo in cui i topi navigano in natura, afferma Freeman. Invece di fare affidamento principalmente sui loro occhi, i topi fanno molto affidamento sui loro baffi per farsi strada nel mondo.

Nella realtà virtuale orientata ai baffi, le pareti si muovono per dare al mouse l'illusione che stia correndo lungo corridoi tortuosi, dice. Ma per tutto il tempo, la testa del roditore è ferma.

Un'immagine ad alta risoluzione mostra i neuroni in azione mentre il mouse naviga nel sistema di realtà virtuale.

Karel Svoboda, ricercatore senior del progetto, afferma di aver già appreso che neuroni diversi si attivano a seconda della distanza tra la testa del topo e il muro. Il cervello sembra tradurre l'input dai baffi in una forma che il topo può usare.

La tecnica di imaging, che Svoboda ha contribuito a sviluppare, si basa sulle proteine ​​fluorescenti delle meduse. I ricercatori alterano geneticamente i topi in modo che le loro cellule producano questa proteina fluorescente in una forma che si attiva quando esposta agli ioni di calcio. I neuroni comunicano trasferendo ioni calcio, quindi i neuroni contrassegnati si accendono di concerto con l'attività cerebrale. Per vedere e registrare cosa sta succedendo, i ricercatori sostituiscono un pezzo dei crani degli animali con una piccola finestra.

Gli scienziati sono stati a lungo in grado di ascoltare singoli neuroni usando gli elettrodi, dice Svoboda, ma è come poter ascoltare un solo strumento durante una sinfonia. Ora, dice, possono osservare il modo in cui le informazioni fluiscono attraverso il cervello mentre il mouse sta imparando a far fronte a un nuovo, anche se virtuale, ambiente.

Anche se la testa del topo non si muove, è impegnata in quella che Svoboda chiama sensazione attiva. Lo facciamo quando muoviamo gli occhi per esplorare ciò che ci circonda. Anche i topi lo fanno e spostano anche i baffi per esplorare al tatto. Il cervello del topo sembra utilizzare insiemi di neuroni per rappresentare le distanze, dice.

In definitiva, i ricercatori sperano di capire come il cervello calcola le informazioni. Ciò potrebbe aiutare a scoprire cosa succede in disturbi come l'autismo. Vogliamo capire come i cervelli fanno tutto ciò che è coinvolto nel rilevamento, nell'apprendimento e nel processo decisionale, afferma Freeman.

Quello che vorrebbero davvero è capire il meccanismo dell'apprendimento e arrivare alla natura dell'intelligenza. È un problema difficile, dice, ma cercare di capire il cervello mentre esploriamo ambienti immersivi è uno dei nostri scatti migliori.

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