Il team della Rockefeller University sviluppa la piattaforma TrUDI per l'imaging cerebrale profondo
Un microscopio a tre fotoni riprogettato registra l'attività neuronale in cervelli di topo intatti con risoluzione a singola cellula.
Di Letizia Giugliano
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Biofisici della Rockefeller University hanno sviluppato un sistema di microscopia che registra l'attività neuronale in profondità nel tessuto cerebrale vivente senza richiedere la rimozione chirurgica degli strati sovrastanti. L'innovazione tecnica, descritta su Nature Methods, aumenta di circa 250 volte l'efficienza dell'imaging a tre fotoni proteggendo le delicate strutture neurali dai danni termici.
Ricostruire l'ottica a tre fotoni da zero
L'imaging dei singoli neuroni all'interno del tessuto vivente pone una sfida fisica persistente, perché le strutture cerebrali dei mammiferi diffondono la luce. Man mano che i fasci ottici penetrano più in profondità nel tessuto, la luce diffusa crea un bagliore di fondo che maschera l'attività cellulare. I microscopi standard a due fotoni raggiungono di solito profondità di circa 0,8 millimetri, mentre i tradizionali allestimenti a tre fotoni si erano fermati a limiti di registrazione funzionale di circa 1,2 millimetri, restando sotto la soglia fisica teorica di 2,3 millimetri nel tessuto di topo, secondo quanto riportato da MedicalXpress.
Per colmare questo divario, un gruppo di ricerca guidato da Alipasha Vaziri, responsabile del Laboratory of Neurotechnology and Biophysics della Rockefeller University, ha sviluppato un'invenzione ottica chiamata Three-photon Ultra-Deep Imaging, o TrUDI. Invece di adattare componenti commerciali esistenti, il gruppo ha modellato computazionalmente i limiti di propagazione ottica e ha costruito la configurazione hardware da zero.
«Volevamo adottare un approccio da zero.»
— Alipasha Vaziri, responsabile del Laboratory of Neurotechnology and Biophysics della Rockefeller University
Maggiore energia per impulso e scansione mirata delle cellule
L'eccitazione multifotone richiede un'elevata intensità laser, ma aumentare la potenza media del laser surriscalda e danneggia le cellule cerebrali viventi. Il team di ingegneri ha superato questo ostacolo operativo erogando meno impulsi laser ma con un'energia individuale per impulso sostanzialmente maggiore, mantenendo il carico termico medio complessivo entro soglie di sicurezza.
I ricercatori hanno anche modificato il modo in cui il microscopio focalizza la luce e scansiona il tessuto. Il sistema integra un meccanismo di eccitazione che rileva le singole cellule e attiva il fascio laser solo quando passa sopra quei neuroni bersaglio. Questo approccio di scansione selettiva riduce fino all'80 percento l'esposizione complessiva del tessuto alle radiazioni laser durante esperimenti di imaging prolungati, come dettagliato da MedicalXpress.
Catturare i segnali nell'ippocampo e nello striato intatti
La piattaforma prototipo personalizzata ha ottenuto un aumento di 250 volte dell'efficienza di imaging rispetto alle precedenti configurazioni a tre fotoni. Questa prestazione ha permesso ai ricercatori di registrare l'attività funzionale in tutta la corteccia del topo e di ispezionare strutture più profonde come l'ippocampo e lo striato senza rimuovere il tessuto corticale sovrastante.
Le prove sperimentali documentate nello studio hanno tracciato l'attività neuronale in topi che esprimevano indicatori fluorescenti tra cui GCaMP8m e la proteina fluorescente verde Thy1-EGFP. Il team ha dimostrato un imaging volumetrico su un campo visivo di 230 per 230 per 1.680 micrometri cubi, catturando singoli segnali cellulari transitori che prima erano oscurati dalla diffusione ottica, secondo MedicalXpress: un'innovazione biomedica significativa per la neuroimaging dei tessuti profondi.
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