Microscopio wireless da 1 grammo registra 8.500 neuroni nei topi

Un topo corre, si arrampica e socializza, e gli scienziati che osservano il suo cervello lavorano, fino ad oggi, con un cavo o con una testa immobilizzata. Questo vincolo ha condizionato ciò che le neuroscienze potevano osservare. Un team dell'Università Tsinghua e della Scuola di medicina dell'Esercito popolare di liberazione cinese ha realizzato un microscopio wireless che consente all'animale di muoversi molto più liberamente. Il dispositivo, chiamato Airscope, pesa 1 grammo senza batteria, e in un articolo pubblicato su Nature i ricercatori riferiscono che è in grado di riprendere oltre 8.500 neuroni nella corteccia del topo, lo strato esterno del cervello.

Per capire perché il peso sia così importante, è utile sapere come funzionano questi strumenti. L'imaging calcico segue i neuroni attraverso un segnale fluorescente che si intensifica quando una cellula si attiva, quindi un microscopio che vede molte cellule contemporaneamente può mostrare come gruppi di neuroni si comportano durante un'azione. I microscopi tradizionali di questo tipo, montati sulla testa, pesano in genere più di 3 grammi, e le prime versioni wireless erano troppo pesanti e offrivano una visuale più ristretta. Airscope abbina un sensore da 2 megapixel a soli quattro obiettivi asferici, una forma che, secondo i ricercatori, rende il dispositivo 2,84 volte più corto dei precedenti microscopi miniaturizzati, pur eguagliando il numero di neuroni rilevati dai mesoscopi da banco. Riprende immagini con una risoluzione a livello della singola cellula, di circa 4 micrometri, su un campo visivo di 6 millimetri (0,24 pollici, ovvero 0,61 cm) a 12,5 fotogrammi al secondo. La compressione dei dati permette di trasmettere senza fili immagini da un megapixel, e una batteria fissata magneticamente, sostituibile, consente registrazioni lunghe.

Il team ha testato il dispositivo su topi che vivevano in un habitat di circa 54 piedi quadrati (5 m²) e in un ampio labirinto con 32 bracci terminali. L'attività corticale cambiava in modo sistematico a seconda del terreno attraversato dai topi, secondo Wu Jiamin dell'Università Tsinghua. In altri esperimenti descritti nell'articolo, i pattern di attività nella corteccia dorsale erano correlati a segnali comportamentali di dominanza sociale, e l'attività della popolazione neuronale era in grado di prevedere quale dei due topi avrebbe vinto una competizione. Con due Airscope su un solo animale, i ricercatori hanno registrato insieme cervello e midollo spinale durante un condizionamento alla paura, e hanno caratterizzato l'influenza del midollo spinale sulla corteccia. Zhang Yuanlong, professore associato all'Università Tsinghua, ha dichiarato che il dispositivo permette agli animali di muoversi più liberamente, così che le registrazioni su larga scala possono accompagnare una gamma più ampia di comportamenti naturali.

Per i neuroscienziati, il vantaggio è la possibilità di registrare grandi popolazioni di neuroni in animali che fanno altro che restare fermi. Gli autori dell'articolo affermano che le registrazioni restano stabili nella stessa area per più di 200 giorni, con una qualità del segnale paragonabile a quella di un microscopio da banco tradizionale. I limiti però sono reali: tutti i risultati finora descritti provengono dai topi. Dai Qionghai, autore di riferimento dell'articolo, ha detto che il dispositivo potrebbe in seguito essere esteso a immunologia e oncologia, permettendo di seguire la progressione delle malattie, ma si tratta di una direzione che il team ha indicato, non di un risultato che abbia già mostrato.

Per ora, i primi beneficiari sono i gruppi di ricerca che studiano come il comportamento nasce dall'attività neurale. Airscope offre loro un modo per registrare il cervello in contesti naturali, dove in precedenza gli strumenti imponevano una scelta tra precisione e movimento. Il prossimo banco di prova sarà verificare se altri laboratori riescono a riprodurre queste registrazioni, e la versione su Nature, ancora una versione online anticipata, è il documento da leggere fino alla pubblicazione definitiva.