Scavare nel cervello: sensore permette di mappare l'attività dei singoli neuroni

02 May 2014

Lanciata nel 2013, la BRAIN Initiative mira a rivoluzionare la comprensione della cognizione, mappando l'attività di ogni neurone nel cervello umano, rivelando come i circuiti cerebrali interagiscono per creare ricordi, acquisire nuove abilità, e interpretare il mondo che ci circonda.

Prima che ciò possa accadere, i neuroscienziati hanno bisogno di nuovi strumenti per sondare il cervello più profondamente e in modo più dettagliato, dice Alan Jasanoff, professore associato di ingegneria biologica al MIT: "C'è un generale riconoscimento che, per comprendere i processi del cervello con un dettaglio completo, abbiamo bisogno dei modi per monitorare la funzione neurale in profondità nel cervello con precisione spaziale, temporale e funzionale".

Jasanoff e colleghi hanno ora fatto un passo verso questo obiettivo: hanno stabilito una tecnica che permette loro di monitorare la comunicazione neurale nel cervello nel tempo usando la risonanza magnetica (MRI) con un sensore molecolare specializzato. Questa è la prima volta che qualcuno è in grado di mappare i segnali neurali con alta precisione su grandi aree cerebrali negli animali viventi, offrendo una nuova finestra sul funzionamento del cervello, dice Jasanoff, che è anche membro associato del «McGovern Institute for Brain Research» del MIT.

Il suo team ha usato questo approccio di imaging molecolare, descritto nell'edizione online del 1 maggio di Science, per studiare il neurotrasmettitore dopamina in una regione chiamata striato ventrale, che è coinvolta nella motivazione, nella ricompensa, e nel rinforzo del comportamento. Negli studi futuri, Jasanoff prevede di combinare la scansione della dopamina con tecniche di risonanza magnetica funzionale, che misurano l'attività globale del cervello, per ottenere una migliore comprensione di come influiscono sui circuiti neurali i livelli di dopamina.

"Vogliamo essere in grado di collegare la segnalazione della dopamina con altri processi neurali che sono in corso", dice Jasanoff. "Possiamo esaminare diversi tipi di stimoli e cercare di capire che cosa sta facendo la dopamina in diverse aree del cervello e collegarla ad altre misure della funzione del cervello".

Monitoraggio della dopamina

La dopamina è uno dei molti neurotrasmettitori che aiutano i neuroni di comunicare tra loro su brevi distanze. Gran parte della dopamina del cervello è prodotta da una struttura chiamata «area tegmentale ventrale» (VTA). Questa dopamina viaggia attraverso la via mesolimbica verso il corpo striato ventrale, dove si combina con le informazioni sensoriali provenienti da altre parti del cervello per rinforzare il comportamento e aiutare il cervello a imparare nuovi compiti e funzioni motorie. Questo circuito ha anche un ruolo importante nelle dipendenze.

Per monitorare il ruolo della dopamina nella comunicazione neurale, i ricercatori hanno usato un sensore MRI che avevano progettato in precedenza, costituito da una proteina contenente ferro che agisce da magnete debole. Quando il sensore si lega alla dopamina, si indeboliscono le sue interazioni magnetiche con il tessuto circostante, diminuiendo il segnale MRI del tessuto. Questo permette ai ricercatori di vedere dove viene rilasciata la dopamina nel cervello. I ricercatori hanno anche sviluppato un algoritmo che consente loro di calcolare con precisione la quantità di dopamina presente in ogni frazione di millimetro cubico dello striato ventrale.

Dopo aver inviato il sensore della risonanza magnetica allo striato ventrale dei ratti, il team di Jasanoff ha stimolato elettricamente il percorso mesolimbico ed è riuscito ad individuare esattamente dove è stata rilasciata nello striato ventrale la dopamina. I livelli più alti sono risultati in una zona chiamata nucleo accumbens, nota per essere uno dei principali obiettivi della dopamina del VTA. I ricercatori hanno anche visto che una parte di dopamina viene rilasciata in aree vicine, come il pallidum ventrale, che regola la motivazione e le emozioni, e in parti del talamo, che collega i segnali sensoriali e motori del cervello.

Può essere rilevante perché:

Lo studio sul funzionamento a livello molecolare dei neuroni e sui neurotrasmettitori potrebbe essere importante anche per l'Alzheimer, visto che proprio neuroni e sinapsi (i punti di passaggio dei neurotrasmettitori) sono tra gli organi più danneggiati dal morbo.

Ogni stimolazione della dopamina è durata 16 secondi ed i ricercatori hanno preso un'immagine della risonanza magnetica ogni otto secondi, permettendo loro di registrare come si modificano i livelli di dopamina quando il neurotrasmettitore è rilasciato dalle cellule e poi scompare. "Abbiamo potuto dividere la mappa in diverse aree di interesse e determinare la dinamica, separatamente per ciascuna di queste regioni", dice Jasanoff.

Lui ed i suoi colleghi hanno in programma di basarsi su questo lavoro per ampliare gli studi su altre parti del cervello, comprese le zone più colpite dal Parkinson, che è causato dalla morte delle cellule che generano dopamina. Il laboratorio di Jasanoff sta anche lavorando su sensori per monitorare altri neurotrasmettitori, permettendo loro di studiare le interazioni tra i neurotrasmettitori durante vari compiti.

L'autore principale del documento è il postdoc Taekwan Lee. Allo studio, al quale hanno contribuito l'assistente tecnico Lili Cai e i dottori di ricerca Victor Lelyveld e Aviad Hai, è stato finanziato dal National Institutes of Health e della Defense Advanced Research Projects Agency.

Fonte: Anne Trafton in Massachusetts Institute of Technology(> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: T. Lee, L. X. Cai, V. S. Lelyveld, A. Hai, A. Jasanoff. Molecular-Level Functional Magnetic Resonance Imaging of Dopaminergic Signaling. Science, 2014; 344 (6183): 533 DOI: 10.1126/science.1249380

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