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Lo scanner indossabile apre una nuova frontiera nelle neuroscienze
Per la prima volta è stato utilizzato un minuscolo scanner indossabile per monitorare l'attività chimica nel cervello di animali sfrenati. Rivelando i circuiti neurologici mentre i soggetti svolgono compiti normali, affermano i ricercatori, la tecnologia potrebbe ampliare notevolmente la comprensione dell'apprendimento, della dipendenza, della depressione e di altre condizioni.
PET indossabile: La testa di un topo si inserisce nell'apertura circolare di questo dispositivo, che è circondato da rilevatori ed elettronica miniaturizzati.
Il dispositivo è stato progettato per essere utilizzato con i ratti, il principale modello animale utilizzato dai neuroscienziati comportamentali. Ma i ricercatori che hanno sviluppato il dispositivo, al Brookhaven National Laboratory, affermano che sarebbe semplice progettare un dispositivo simile per le persone.
La tomografia a emissione di positroni, o PET, è già ampiamente utilizzata nella ricerca neuroscientifica e nel trattamento clinico. Consente ai ricercatori di tracciare la posizione dei neurotrasmettitori marcati radioattivamente (le sostanze chimiche che trasportano i segnali tra i neuroni) o dei farmaci all'interno del cervello. Le immagini del modo in cui i neurotrasmettitori e i farmaci si muovono attraverso il cervello possono rivelare i processi che sono alla base del comportamento normale come l'apprendimento e le patologie inclusa la dipendenza. La PET è stata utilizzata per mappare i siti di legame dei farmaci nel cervello di tossicodipendenti e persone sane e per studiare come questi siti cambiano nel tempo e con la terapia.
Uno scanner PET convenzionale è così grande che questi studi devono essere eseguiti con il soggetto sdraiato all'interno di un grande tubo. Grandi tubi fotomoltiplicatori amplificano i segnali dei raggi gamma emessi da sostanze chimiche etichettate nel cervello. I segnali passano quindi attraverso un rack di dispositivi elettronici delle dimensioni di una scrivania che li elabora e li mappa in una particolare regione del cervello. Per ottenere buone letture durante gli studi sugli animali, i soggetti sono in genere anestetizzati o trattenuti. Ciò che viene misurato non è il normale comportamento di veglia.
Abbiamo dati molto limitati su cosa fanno i cervelli nel mondo reale, dice Paul Glimcher , professore di neuroscienze, economia e psicologia alla New York University. Glimcher non era coinvolto nel lavoro.
Il nuovo scanner portatile è progettato per fornire le stesse informazioni sulla chimica del cervello mentre un animale si comporta in modo naturale. È abbastanza piccolo e leggero che un topo può portarlo in giro sulla testa. [Il ratto] può muoversi liberamente, interagire con altri animali e allo stesso tempo possiamo creare una mappa 3D, ad esempio, dei recettori della dopamina in tutto il cervello, afferma David Schlyer , uno scienziato senior di Brookhaven che ha guidato il lavoro.
Il gruppo di Schlyer ha lavorato per anni per progettare uno scanner PET in miniatura che potesse essere indossato da un soggetto in movimento. Il dispositivo è costituito da un anello di metallo appeso a una struttura di supporto che aiuta a sostenerne il peso e consente al topo di muoversi. La testa del topo va all'interno dell'anello, che contiene sia i rilevatori che l'elettronica.
La chiave per miniaturizzare il dispositivo, afferma Schlyer, è stata l'integrazione di tutta l'elettronica per ciascun rivelatore nell'anello su un singolo chip specializzato. Un fotodiodo a valanga sostituisce anche i grandi tubi fotomoltiplicatori del PET convenzionale, amplificando i segnali emessi dalle sostanze chimiche etichettate nel cervello. I ratti impiegano circa un'ora per acclimatarsi, quindi iniziano a comportarsi normalmente, dice Schlyer. Il dispositivo Brookhaven è descritto questa settimana nel diario Metodi della natura .
Il gruppo di Brookhaven ha utilizzato per la prima volta lo scanner per mappare i recettori della dopamina nell'intero cervello di ratti in movimento. Altri gruppi, incluso quello di Glimcher, hanno precedentemente utilizzato sonde invasive per studiare i livelli di dopamina in porzioni di cervello di dimensioni di un millimetro cubo in animali non immobilizzati, ma non sono stati in grado di guardare l'intero cervello.
Glimcher descrive uno dei numerosi esperimenti che potrebbero essere fatti con il dispositivo portatile. I ricercatori sanno che i tossicodipendenti che hanno completato con successo la riabilitazione corrono un grande rischio di ricaduta se visitano i luoghi che associano al farmaco, probabilmente perché il loro cervello è stato ricablato chimicamente per rispondere a queste associazioni. Glimcher immagina studi sui topi che mappano la chimica del cervello quando agli animali viene permesso di decidere se assumere o meno un farmaco e quando vagano in un luogo che hanno imparato ad associare al farmaco.
Non capiamo molto bene come i circuiti in [diverse parti del cervello] interagiscono nella dipendenza, dice Glimcher. Per arrivare a un punto in cui posso darti un'ipotesi clinica, dobbiamo ottenere informazioni più basilari. Questa è la svolta che potrebbe renderlo possibile.
La PET non è così ampiamente utilizzata negli studi che coinvolgono le persone come altri metodi di neuroimaging a causa della piccola ma significativa esposizione alle radiazioni che è necessaria. Tuttavia, i ricercatori di Brookhaven affermano che sarebbe possibile realizzare uno scanner PET indossabile che si adatti a qualcosa che assomigli a un casco da football. Joseph Huston, presidente del Center for Behavioral Neurosciences presso l'Università di Düsseldorf, afferma che il gruppo Brookhaven ha reso un servizio incredibile alla comunità delle neuroscienze nello sviluppo del dispositivo. Il topo è il modello più importante per il cervello: tutto ciò che sappiamo di base sull'apprendimento, l'alimentazione, la paura, il sesso, si basa sul lavoro nel topo.
Schlyer afferma che il suo gruppo ha parlato con alcune aziende della licenza di una versione commerciale del dispositivo. Ma per ora, stanno principalmente pianificando ulteriori studi comportamentali nel loro laboratorio. La mappatura della dopamina negli animali svegli potrebbe fornire informazioni su un'ampia gamma di condizioni normali e patologiche come i problemi di movimento associati al morbo di Parkinson. Ma la dopamina è solo una delle tante sostanze chimiche del cervello che il gruppo può mappare. Schlyer dice che studieranno anche il comportamento sessuale dei ratti.
Il gruppo sta anche lavorando su un altro strumento che combina la PET con la risonanza magnetica per fornire informazioni più ricche sulla struttura e la funzione dei tessuti. Il mese prossimo inizieranno una sperimentazione clinica di questo dispositivo su pazienti con cancro al seno.