Ricerche

È una tecnologia sposta-paradigma che cambia il modo in cui i ricercatori fanno neuroscienza.

Il team di scienziati dell'Allen Institute usa sofisticati microscopi per registrare i segnali provenienti da nuovi indicatori nel cervello vivente.

Degli scienziati hanno progettato una proteina in grado di registrare i segnali chimici in entrata delle cellule cerebrali (in contrapposizione ai soli segnali in uscita). Questi messaggi silenziosi in arrivo sono il rilascio del neurotrasmettitore glutammato, che ha un ruolo fondamentale nel modo in cui le cellule cerebrali comunicano tra loro ma che fino ad ora è stato estremamente difficile da cogliere.

Perché è importante:

• Comprendere il codice del cervello: gli scienziati possono ora studiare come i neuroni elaborano, come prendono migliaia di segnali di input, e, sulla base di questi, producono un segnale in uscita che potrebbe essere alla base di decisioni, pensiero o memoria, decodificando i misteri di lunga data del cervello.
• Nuove strade per la ricerca sulle malattie: la segnalazione interrotta del glutammato è collegata all’Alzheimer, alla schizofrenia, all’autismo, all’epilessia e altro ancora. Questi sensori potrebbero aiutare a scoprire le cause profonde di queste condizioni.
• Sviluppo più intelligente di farmaci: le aziende farmaceutiche possono testare il modo in cui i nuovi trattamenti influenzano l’attività sinaptica effettiva accelerando la ricerca di terapie migliori.

La speciale proteina progettata dai ricercatori dell’Allen Institute e del Janelia Research Campus dell’Howard Hughes Medical Institute (HHMI) è un 'indicatore di glutammato' molecolare chiamato iGluSnFR4 (pronuncia “glu sniffer”). È abbastanza sensibile da rilevare i segnali più deboli in arrivo tra i neuroni nel cervello, offrendo un modo nuovo di decifrare e interpretare la loro complessa cascata di attività elettrica che è alla base di apprendimento, memoria ed emozioni.

iGluSnFR4 potrebbe aiutare a decodificare il linguaggio nascosto del cervello e ad approfondire il funzionamento dei suoi complessi circuiti. Questa scoperta consente ai ricercatori di osservare i neuroni del cervello mentre comunicano in tempo reale. I risultati sono pubblicati su Nature Methods e potrebbero trasformare la ricerca neuroscientifica in termini di misurazione e analisi dell’attività neurale.

Scoperto il linguaggio nascosto del cervello

Per comprendere il significato di questa scoperta, è utile capire come funziona il cervello: miliardi di neuroni 'parlano' tra loro inviando impulsi elettrici lungo i rami che partono dai loro assoni, i dendriti. Quando i segnali elettrici raggiungono la fine dei dendriti, non riescono a superare il divario esistente fino alla cellula cerebrale successiva, chiamato sinapsi. Invece, innescano il rilascio (l'invio) di messaggeri chimici chiamati neurotrasmettitori (il glutammato è il più comune e fondamentale per la memoria, l’apprendimento e le emozioni) nella sinapsi che provoca l’attivazione in sequenza della cellula cerebrale successiva.

È come una fila di tessere del domino che cadono, ma molto più complessa: ogni neurone riceve segnali da migliaia di altri neuroni, e modelli e combinazioni specifici di sparo di questi neuroni mittenti sono ciò che fa attivare il neurone successivo (ricevente). Con questa scoperta, gli scienziati possono ora identificare i modelli critici e le combinazioni di attività dei neuroni riceventi che causano l’attivazione dei neuroni successivi. Fino ad ora, rilevare questi segnali in arrivo nel tessuto cerebrale vivente era quasi impossibile. Le tecnologie precedenti erano troppo lente o non abbastanza sensibili per rilevare l’azione a livello di singola sinapsi. Ora i ricercatori possono ascoltare l’intera conversazione anziché dei frammenti.

"È come leggere un libro con tutte le parole criptate e non capire l'ordine delle parole o come sono disposte", ha detto Kaspar Podgorski PhD, autore senior dello studio e scienziato senior dell'Allen Institute. "Sento che quello che stiamo facendo qui è aggiungere le connessioni tra quei neuroni e, così facendo, ora comprendiamo l'ordine delle parole sulle pagine e cosa significano".

Prima che esistessero questi sensori proteici, i ricercatori potevano solo registrare i segnali in uscita dalle cellule cerebrali, lasciando un mistero metà dell’equazione delle comunicazioni, i segnali in entrata, che erano sempre troppo deboli e veloci per essere colti, fino ad ora.

"I neuroscienziati hanno metodi abbastanza buoni per misurare le connessioni strutturali tra i neuroni; e in esperimenti separati, possiamo misurare ciò che dicono alcuni neuroni nel cervello. Ma non eravamo bravi a combinare questi due tipi di informazioni. È difficile misurare cosa dicono i neuroni a quali altri neuroni", ha detto Podgorski. “Ciò che abbiamo inventato qui è un modo per misurare le informazioni che arrivano ai neuroni da diverse fonti, e questa è una parte fondamentale che mancava alla ricerca neuroscientifica”.

“Il successo di iGluSnFR4 deriva dalla nostra stretta collaborazione iniziata al Janelia tra il team del progetto GENIE e il laboratorio di Kaspar. Questa ricerca si è estesa al fenomenale lavoro di caratterizzazione in vivo svolto dal gruppo Neural Dynamics dell’Allen Institute”, ha affermato Jeremy Hasseman PhD, scienziato del Janelia. “Questo è stato un ottimo esempio di collaborazione tra laboratori e istituti per consentire nuove scoperte nel campo delle neuroscienze”.

Questa scoperta rimuove una barriera significativa nelle neuroscienze moderne: l’incapacità di monitorare chiaramente e dare un senso al modo in cui le cellule cerebrali ricevono informazioni. Con questo nuovo potente strumento, disponibile ai ricercatori attraverso Addgene, potrebbero presto essere svelati alcuni dei misteri più profondi del cervello.