Monitoraggio del flusso di informazioni nel cervello

Gli scienziati del MIT hanno progettato un sensore di calcio di dimensioni nanometriche che potrebbe far luce sulle intricate comunicazioni da cellula a cellula che costituiscono il pensiero umano. Alan Jasanoff e il suo team presso il Francis Bitter Magnet Lab e il McGovern Institute of Brain Research hanno scoperto che il monitoraggio del calcio, un messaggero chiave nel cervello, può essere un modo più preciso di misurare l'attività neurale, rispetto alle attuali tecniche di imaging, come il tradizionale magnetismo funzionale risonanza magnetica (fMRI).

Quando un neurone si attiva, rilascia calcio. Alan Jasanoff del McGovern Institute del MIT ha utilizzato questa osservazione per sviluppare un nuovo modo di visualizzare l'attività cerebrale utilizzando la fMRI. Le nanoparticelle superparamagnetiche (illustrate qui) sono ricoperte da proteine ​​(rosse e verdi) che si aggregano quando il calcio viene rilasciato dal neurone. L'aggregazione di queste particelle può essere rilevata dal magnete MRI.

FMRI utilizza potenti magneti per rilevare il flusso sanguigno nel cervello, consentendo ai ricercatori di osservare il cervello umano in azione. Attraverso una rapida serie di istantanee, gli scienziati possono osservare aree chiave del cervello di una persona che si illuminano in risposta a un determinato compito o comando. La tecnologia è stata utilizzata per individuare le aree cerebrali coinvolte in tutto, dalle abilità motorie e verbali di base a stati cognitivi più oscuri come la gelosia, l'inganno e la moralità.

Sfortunatamente, l'fMRI, come viene usata oggi, ha un grosso inconveniente: misura il flusso sanguigno, o emodinamica, che è una misura indiretta dell'attività delle cellule neurali. Si scopre che l'emodinamica introduce fondamentalmente un ritardo di cinque secondi, afferma Jasanoff. Ti impedisce di rilevare variazioni rapide [nell'attività neurale].

Poiché i neuroni tipicamente si attivano nell'ordine dei millisecondi, le attuali tecniche di fMRI forniscono solo una stima approssimativa di ciò che il cervello sta facendo in un dato momento. Le scansioni FMRI hanno anche una risoluzione spaziale relativamente bassa, misurando l'attività in aree di 100 micron, un volume che in genere contiene 10.000 neuroni, ciascuno con diversi modelli di attivazione.

Gli sforzi per mettere a punto la fMRI si sono concentrati sullo sviluppo di magneti più potenti e su una migliore comprensione del flusso sanguigno e della sua relazione con l'attività cerebrale.

Ma Jasanoff crede che ci sia un modo migliore e più preciso per tracciare l'attività neurale. Lui e il suo team stanno esaminando il calcio come misura diretta dell'attivazione neuronale. Quando un neurone invia un impulso elettrico a un altro neurone, i canali calcio-specifici nella membrana del neurone si aprono istantaneamente, lasciando che il calcio fluisca nella cellula. È un cambiamento di segnale molto drammatico, afferma Jasanoff.

I sensori di calcio fluorescenti sono già utilizzati nell'imaging ottico superficiale, ma non sono ancora stati applicati ai tessuti cerebrali più profondi accessibili tramite i potenti magneti delle macchine fMRI. A tal fine, il laboratorio di Jasanoff ha iniziato a progettare un sensore di calcio rilevabile tramite fMRI. Per fare ciò, hanno combinato il sensore con una nanoparticella di ossido di ferro superparamagnetico, essenzialmente un magnete di dimensioni molecolari che può essere rilevato dalla fMRI come immagini ad alto contrasto.

Il sensore stesso è composto da due nanoparticelle separate, ciascuna rivestita con una proteina diversa: calmodulina e M13. In presenza di calcio, queste due proteine ​​si legano insieme. In sostanza... abbiamo creato due set di palline in velcro, afferma Jasanoff. Uno ha i ganci e l'altro ha i passanti, e diventano palline di velcro solo in presenza di calcio. Le proteine ​​si sfaldano quando il calcio scompare, una proprietà che potrebbe essere utile per interpretare il flusso di attività elettrica in un circuito di neuroni durante un determinato compito, cosa che non è possibile con la fMRI di oggi.

La ricerca di Jasanoff è solo un primo passo verso questo obiettivo. Finora ha testato il sensore in soluzioni in provetta con e senza calcio, scansionando le interazioni con la risonanza magnetica. I primi risultati, pubblicati in un recente numero del Atti delle Accademie Nazionali delle Scienze, sono promettenti: le scansioni sono state in grado di rilevare immagini ad alto contrasto delle sfere simili a velcro che si raggruppano in presenza di calcio. Sebbene le immagini fossero visibili solo dopo molti secondi, o addirittura minuti, Jasanoff afferma che il sensore è altamente modificabile e prevede di migliorare la sua risposta temporale nelle prove future. Per ora, ha in programma di iniettare sensori di calcio in singole cellule di mosche e infine ratti.

A osservatori esterni piace Greg Sorensen della Harvard Medical School sono cautamente ottimisti su questa nuova generazione di imaging cerebrale, in particolare per le applicazioni umane. Sorensen, professore associato di radiologia, è concentrato sull'applicazione di nuove tecniche di imaging al trattamento delle malattie neurologiche.

Le particelle intracellulari di ossido di ferro in alcuni studi hanno avuto un profilo di sicurezza sfavorevole negli esseri umani, afferma Sorensen. Se sapessimo che questo metodo ha dei rischi ma in cambio potrebbe identificare il miglior trattamento per, diciamo, la schizofrenia, allora il rischio potrebbe valere il beneficio.

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