Un microscopio da un grammo permette agli scienziati di osservare 8.500 neuroni contemporaneamente
Comprendere come il cervello trasformi miliardi di neuroni che scaricano insieme in una singola decisione, un ricordo o un movimento improvviso è uno dei problemi più difficili della scienza. Gran parte della difficoltà sta semplicemente nel vederlo accadere: la maggior parte degli strumenti di imaging è ingombrante, vincolata a cavi o può osservare solo una piccola porzione di tessuto cerebrale alla volta. Un team di ricercatori cinesi afferma di aver ora costruito il microscopio wireless più leggero del suo genere, un dispositivo che pesa appena un grammo e che può registrare l’attività di migliaia di neuroni in un animale in libero movimento.
Lo strumento è un mesoscopio, una classe di microscopi progettata per acquisire immagini di aree di tessuto relativamente grandi anziché di una singola cellula. Secondo CCTV, il dispositivo del team funziona su un campo visivo largo sei millimetri e può risolvere singole cellule. Nei test sui topi, ha catturato l’attività di oltre 8.500 neuroni nella corteccia cerebrale contemporaneamente — circa 25 volte il numero che le apparecchiature esistenti comparabili possono registrare simultaneamente. I risultati sono stati pubblicati online il 19 ottobre su Nature, una delle principali riviste scientifiche al mondo.
Il progresso è tanto un’impresa ingegneristica quanto biologica. Un microscopio da banco convenzionale non può essere trasportato sulla testa di un topo, e un cavo collegato a un supporto fisso vincolerebbe l’animale e distorcerebbe proprio il comportamento che gli scienziati vogliono osservare. Comprimere ottica, sensori, alimentazione e trasmissione wireless in qualcosa che un animale possa trasportare senza evidente sforzo ha richiesto nuovi approcci alla miniaturizzazione e alla gestione dei dati. Con un grammo, il dispositivo è abbastanza leggero che i ricercatori ritengono non interferirà in modo significativo con il movimento naturale.
Questo è importante perché il comportamento è dove l’attività cerebrale diventa significativa. Osservare i neuroni che scaricano mentre un animale esplora, socializza, impara un compito o reagisce a una minaccia è centrale per comprendere come i circuiti neurali regolano il comportamento complesso. Finora, i laboratori dovevano spesso scegliere tra registrazioni ad alta risoluzione in un animale a testa fissa e un’osservazione più ampia in uno libero di muoversi. Un dispositivo wireless che cattura migliaia di cellule contemporaneamente promette di ridurre considerevolmente questo compromesso.
La pubblicazione su Nature dà al lavoro visibilità internazionale e segnala che i risultati hanno superato una rigorosa revisione paritaria. Colloca anche i gruppi di ricerca cinesi saldamente tra i leader nell’hardware neurotecnologico, un campo in cui la produzione di strumenti è stata storicamente dominata da laboratori negli Stati Uniti e in Europa. Il team non ha dettagliato un lancio commerciale, ma dispositivi come questo tendono a diffondersi rapidamente nella comunità neuroscientifica, perché una finestra migliore sul cervello è utile a quasi ogni laboratorio che lo studia.
Per il pubblico più ampio, il beneficio pratico sarà probabilmente indiretto ma reale. Mappare come grandi popolazioni di neuroni si coordinano è fondamentale per il lavoro su apprendimento, memoria, sonno e malattie neurologiche. Strumenti migliori non producono automaticamente trattamenti, ma cambiano quali domande diventano affrontabili. Un microscopio in grado di seguire migliaia di neuroni attraverso il comportamento quotidiano trasforma alcuni esperimenti precedentemente ipotetici in esperimenti di routine.
Ci sono limiti da notare. Il lavoro è stato fatto sui topi, e trasferire i risultati tra specie non è mai automatico. Il dispositivo registra anche dalla corteccia, una regione superficiale, piuttosto che da strutture cerebrali profonde. Tuttavia, il numero principale — un singolo grammo, una visuale di sei millimetri, oltre 8.500 neuroni contemporaneamente — è il tipo di pietra miliare che ridefinisce le aspettative su ciò che un sensore cerebrale indossabile può essere.
Per un campo a lungo limitato dai suoi strumenti, questo è significativo. Il prossimo passo sarà vedere quanto ampiamente altri laboratori adotteranno il dispositivo e quali scoperte seguiranno una volta che osservare migliaia di neuroni contemporaneamente diventerà ordinario.