Sbirciando nel cervello

Nel mezzo di una stanza buia come la pece, un topo molto speciale giace immobile su un tavolino da microscopio. Mesi prima, al topo erano stati tagliati due piccoli fori dal cranio, rivelando la dura, la membrana esterna del cervello, e i vasi sanguigni sottostanti. I fori sono stati coperti in modo permanente con vetro trasparente in modo che gli scienziati possano scrutare direttamente nel cervello del topo, dove alcuni dei suoi neuroni si illuminano di verde sotto la luce laser di un microscopio.

Per le immagini di questo laboratorio di osservazione del cervello, clicca qui .

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2006

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Mentre il topo anestetizzato dorme, Wei-Chung Lee, postdoc presso il Picower Center for Learning and Memory del MIT, scatta una serie di immagini di un singolo neurone. Unirà queste foto in un'immagine 3D del neurone e la confronterà con un'immagine della stessa cellula creata una settimana fa, per determinare come è cambiata nel tempo.

La tecnica ha offerto agli scienziati del MIT uno sguardo senza precedenti sulla sorprendente crescita dei neuroni nel corso della vita quotidiana di un topo adulto. Puoi vedere l'intera gamma di tipi di crescita che vedi durante lo sviluppo, come scatti di crescita, estensioni, retrazioni o nuove aggiunte, afferma Elly Nedivi, professore associato di neurobiologia al MIT che dirige la ricerca. Questo è ciò che il cervello fa quotidianamente. Nedivi ha aiutato a sviluppare la nuova procedura di imaging in collaborazione con Peter So, un esperto di imaging nel dipartimento di bioingegneria del MIT, sperando di esplorare meglio i cambiamenti nelle complesse reti di proiezioni ramificate che trasmettono messaggi tra i neuroni. Quello che ha scoperto sta aiutando a cambiare il quadro scientifico del cervello.

C'era una volta, gli scienziati pensavano che il cervello adulto fosse per lo più statico nella struttura, che dopo gli scatti di crescita neurale dell'infanzia e dell'adolescenza, le connessioni tra i neuroni fossero disposte in modo permanente, come una rete di strade asfaltate. Ma un numero crescente di prove suggerisce che il cervello adulto ha una sorprendente capacità di riorganizzarsi. Nedivi e il suo team hanno fornito un nuovo supporto a questa idea, fornendo la prima prova negli animali viventi che le proiezioni di scambio di informazioni dei neuroni possono crescere e ritrarsi in età adulta, in modi qualitativamente simili a quelli che fanno all'inizio della vita.

I neuroscienziati sapevano che alcuni cambiamenti neurali devono avvenire nel cervello adulto, perché continuiamo a imparare per tutta la vita. Ma la gente non sapeva se quella plasticità fosse accompagnata da cambiamenti strutturali, afferma David Kleinfeld, neuroscienziato dell'Università della California, a San Diego. Nedivi e i suoi collaboratori, dice, hanno dimostrato che i neuroni di almeno un tipo particolare continuano a crescere ed evolversi nel topo adulto.

La chiave della scoperta di Nedivi è stata la capacità di osservare lo stesso neurone in un animale vivente settimana dopo settimana. La maggior parte delle ricerche precedenti sulla neuroplasticità, la capacità del cervello di formare nuove connessioni neurali, hanno esaminato le sezioni del cervello, sezioni del cervello che vengono mantenute in vita per un breve periodo. Sebbene tali studi in vitro consentano agli scienziati di testare come le connessioni neurali siano influenzate da fattori specifici, come scariche elettriche o diversi tipi di farmaci, non possono mostrare cosa succede ai neuroni nel cervello vivente quando un animale invecchia o si sviluppa una malattia, o viene allevato in isolamento.

Guardare la stessa cellula per un periodo di settimane può rivelare la lenta crescita dei neuroni nel cervello. Nedivi spera di utilizzare il processo per determinare cosa va storto nel cervello dei topi progettati per modellare l'Alzheimer e la schizofrenia. Tali studi offriranno sia nuove informazioni sulle malattie umane sia un modo per testare nuove terapie.

I ricercatori sperano anche di determinare i modi migliori per incoraggiare la crescita delle cellule cerebrali. Se i neuroni potessero essere indotti a far crescere nuove proiezioni in parti specifiche del cervello o del midollo spinale, potrebbero essere in grado di compensare il danno causato da lesioni o ictus del midollo spinale.

Un albero in fiore

Per osservare i neuroni nel cervello vivente, Nedivi e i suoi collaboratori hanno inserito finestre nei crani di topi geneticamente modificati per produrre un colorante fluorescente in alcune cellule cerebrali selezionate casualmente. Attraverso le finestre, fotografano i neuroni fluorescenti usando un microscopio a due fotoni, uno strumento che crea immagini ad altissima risoluzione.

Un laser ultraveloce al titanio-zaffiro invia pacchetti di luce attraverso una serie complessa di lenti e specchi, che dirige la luce sulle singole cellule del cervello del topo anestetizzato. Il colorante fluorescente nei neuroni selezionati si illumina solo se due fotoni colpiscono una molecola di colorante esattamente nello stesso momento, consentendo un'immagine più precisa delle cellule. (Questo è il motivo per cui la stanza deve essere completamente buia: qualsiasi luce estranea verrebbe rilevata dal rilevatore di fotoni del microscopio, confondendo l'immagine risultante. I ricercatori indossano lampade frontali nel caso in cui debbano regolare l'attrezzatura.)

I neuroni sono costituiti da un corpo cellulare centrale e da una serie di proiezioni ramificate che si estendono in diverse parti del cervello per inviare e ricevere segnali elettrici. Per catturare l'intera struttura di un dato neurone, il laser lo scansiona in sezioni trasversali orizzontali, immergendosi più in profondità nel cervello ad ogni scansione. I ricercatori esaminano le immagini, che ricordano i dipinti di Jackson Pollock, e selezionano le forme che corrispondono alle proiezioni. Un programma per computer unisce quindi le immagini per creare un modello 3D.

Per registrare come i neuroni cambiano nel tempo, i ricercatori del MIT scattano foto dello stesso neurone ogni settimana per diverse settimane, utilizzando i vasi sanguigni vicini per aiutarlo a localizzarlo. In un articolo pubblicato all'inizio di quest'anno in Biblioteca Pubblica di Scienze Biologia , il team ha dimostrato che i dendriti, le proiezioni che i neuroni usano per ricevere informazioni da altre cellule cerebrali, possono crescere, torcersi e piegarsi, emettendo nuovi germogli come un albero in fiore. È molto potente: puoi effettivamente vedere i cambiamenti, dice Lee. E poiché le immagini sono raccolte da un animale vivente, dice, catturano il comportamento del cervello in modo molto più accurato delle immagini di una fetta di cervello, in cui molte delle connessioni neurali sono interrotte.

Questo tipo di crescita non era mai stato osservato prima in studi su animali vivi. Studi precedenti che utilizzavano l'imaging a due fotoni avevano riscontrato piccoli cambiamenti strutturali nelle spine dendritiche, piccole protuberanze sulle superfici dei dendriti. Ma questi studi hanno ricostruito solo piccole sezioni di ciascun neurone. Modellando intere cellule, Nedivi e colleghi sono stati in grado di vedere cambiamenti su larga scala che in precedenza potevano essere passati inosservati. La cosa più eccitante del loro lavoro è che mostra una quantità imprevista di dinamismo nei neuroni, afferma Josh Sanes, un neuroscienziato dell'Università di Harvard il cui laboratorio ha progettato i topi utilizzati nello studio.

Inoltre, il team di Nedivi ha scoperto che solo un certo tipo di neurone subisce questi cambiamenti. Precedenti studi si sono concentrati sui neuroni eccitatori, che inviano segnali elettrici che provocano l'attivazione di altri neuroni. I neuroni inibitori, d'altra parte, rilasciano sostanze chimiche che impediscono ad altri neuroni di attivarsi. Sono questi neuroni che possono estendere e ritrarre nuove proiezioni. I neuroni inibitori sono meno diffusi nel cervello rispetto ai loro cugini eccitatori e sono meno studiati.

Fattori di crescita

I primi esperimenti di Nedivi si sono concentrati su topi che vivevano una vita di laboratorio standard, ma ora che lei e il suo team hanno definito la normale quantità di plasticità neurale degli adulti, possono esaminare come diversi fattori ambientali o genetici influenzano la crescita del cervello. Ricerche precedenti, ad esempio, hanno mostrato che dare giocattoli a giovani roditori o allevarli in un paesaggio vario stimola la nascita di nuove cellule cerebrali. L'imaging a due fotoni consentirà ai ricercatori di esplorare come la vita in un ambiente complesso influenzi l'organizzazione neurale del cervello. Lee ha recentemente iniziato a studiare come la deprivazione visiva influenzi la plasticità neurale nella corteccia visiva. Questi progetti aiuteranno i ricercatori a capire se ambienti diversi fanno crescere i neuroni degli animali più rapidamente o si riorganizzano più frequentemente e se questi cambiamenti alla fine portano a differenze di comportamento.

Nel frattempo, dice Nedivi, è stata inondata di richieste da scienziati che studiano malattie come l'Alzheimer e la schizofrenia. Una volta che caratterizziamo il problema con ogni diversa malattia - forse stanno crescendo meno proiezioni o solo un certo tipo di neurone è interessato - allora possiamo adattare i trattamenti a quel problema, dice. Potremmo anche usare questa tecnologia come piattaforma per lo screening delle terapie.

Naturalmente, ogni esperimento richiederà mesi al microscopio. Ci vogliono ore per visualizzare ogni neurone e giorni per costruire un modello tridimensionale dalle immagini bidimensionali. Inoltre, gli scienziati dovranno confrontare meticolosamente i neuroni di molti animali per avere un'idea delle differenze tra il comportamento delle cellule malate e quello di quelle sane. Purtroppo il tempo è qualcosa che Nedivi attualmente non ha; il laboratorio utilizza un microscopio personalizzato nel laboratorio di So. Una volta alla settimana, i suoi studenti imballano i loro topi e li portano in laboratorio, analizzando tutti i neuroni che il tempo lo consente. Presto Nedivi spera di ottenere i 500.000 dollari necessari per installare uno strumento nel suo laboratorio, che darebbe ai suoi ricercatori un tempo illimitato per osservare il cervello in azione.

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