Attività neuronale e interazioni con il flusso sanguigno svelate

Il cervello è un organo complesso che si basa sui neuroni per comunicare. Gli scienziati studiano come funzionano i neuroni osservando come rispondono a varie attività, come muoversi o vedere cose. Un metodo usato per osservare l'attività neuronale è attraverso l'imaging ottico, che misura i cambiamenti nella luce emessa da sensori speciali nei neuroni. Questi sensori possono reagire a diversi segnali, come i livelli di Calcio, indicando l'attività neuronale.

Tuttavia, quando misuriamo questi cambiamenti, dobbiamo considerare gli effetti del flusso sanguigno nel cervello. Il flusso sanguigno può cambiare a seconda di quanto siano attivi i neuroni. Quando i neuroni si attivano, possono far dilatare o restringere i vasi sanguigni vicini, il che influisce su come la luce viaggia attraverso il tessuto cerebrale. Questa interazione tra flusso sanguigno e attività neuronale è fondamentale da comprendere, poiché può influenzare l'accuratezza delle misurazioni effettuate con tecniche di imaging ottico.

#Le basi dell'imaging ottico

L'imaging ottico è una tecnica usata per osservare neuroni vivi nel cervello. I ricercatori usano spesso sensori che rispondono al calcio, una sostanza che entra nei neuroni quando sono attivi. Quando i livelli di calcio aumentano, i sensori producono un cambiamento nella fluorescenza, che può essere rilevato attraverso tecniche di imaging. Questo permette agli scienziati di vedere quali neuroni sono attivi in un dato momento.

Nella vita reale, la presenza di sangue può interferire con le misurazioni della luce. I cambiamenti nel flusso sanguigno causati dall'attività neuronale possono creare un fenomeno noto come occlusione emodinamica. Questo significa che la luce proveniente dai sensori può essere bloccata o alterata dal sangue che scorre attraverso i vasi vicini.

#Il ruolo dell'emodinamica

L'emodinamica si riferisce allo studio del flusso sanguigno e dei suoi effetti all'interno del corpo. Nel cervello, quando i neuroni diventano attivi, inviano segnali ai vasi sanguigni vicini, causando cambiamenti nella loro dimensione. Quando i vasi sanguigni si dilatano (vasodilatazione), più sangue fluisce nell'area, mentre quando si restringono (vasocostrizione), il flusso sanguigno diminuisce. Questi cambiamenti possono influenzare come la luce viaggia attraverso il tessuto cerebrale e possono complicare l'interpretazione dei risultati dell'imaging ottico.

C'è una chiara connessione tra l'attività neuronale e il flusso sanguigno nota come Accoppiamento Neurovascolare. Questo significa che quando i neuroni sono attivi, i vasi sanguigni si adeguano per supportare quell'attività. Tuttavia, questa relazione può anche creare sfide quando si cerca di misurare la vera attività neuronale utilizzando sensori, poiché i cambiamenti emodinamici possono oscurare i risultati.

#Indagare i segnali emodinamici

Per comprendere meglio la relazione tra attività neuronale e cambiamenti nel flusso sanguigno, i ricercatori hanno condotto studi su topi. Hanno usato un marcatore specifico, GFP (proteina fluorescente verde), per visualizzare l'attività neuronale indipendentemente dai cambiamenti nei livelli di calcio. Immaginando il GFP mentre i topi interagivano con un ambiente virtuale, volevano vedere come i marcatori rispondevano a diversi comportamenti, come correre o vedere stimoli visivi.

I risultati hanno mostrato che il segnale GFP cambiava significativamente durante il movimento e in risposta a stimoli visivi, simile a come reagiscono indicatori di calcio come GCaMP. Queste scoperte suggeriscono che i segnali emodinamici possono essere sostanziali e variare attraverso diverse aree del cervello.

#Tecniche e procedure di imaging

Negli studi, i ricercatori hanno iniettato un vettore AAV contenente il GFP in regioni specifiche del cervello dei topi, permettendo al marcatore di esprimersi nei neuroni corticali. Hanno poi utilizzato un microscopio a due fotoni per catturare i segnali GFP mentre i topi esploravano un ambiente virtuale. Questa configurazione di realtà virtuale ha permesso esperimenti controllati per esaminare come l'attività neuronale e il flusso sanguigno interagivano durante vari compiti.

I ricercatori hanno scoperto che quando i topi iniziavano a correre, c'era un incremento notevole nella fluorescenza del GFP nei neuroni. Questa risposta era simile in magnitudine a quella che si osserva tipicamente con indicatori di calcio. Al contrario, quando ai topi venivano mostrati pattern visivi in movimento (griglie), il segnale GFP diminuiva, suggerendo che anche gli stimoli visivi influenzano la dinamica del flusso sanguigno.

#Analizzare le risposte dei neuroni

I ricercatori hanno confrontato le risposte di diversi strati della corteccia, come il layer 2/3 e il layer 5 della corteccia visiva (V1) e la corteccia cingolata anteriore (ACC). Hanno osservato variazioni nel modo in cui la fluorescenza del GFP cambiava in risposta agli stimoli in base alla specifica regione corticale e alla profondità dell'imaging.

Ad esempio, guardando i neuroni del layer 5, i cambiamenti nella fluorescenza durante la corsa erano più piccoli rispetto a quelli del layer 2/3. Tuttavia, entrambi i layer mostravano risposte significative alla Locomozione e agli stimoli visivi. Curiosamente, nell'ACC, i neuroni mostravano anche un forte aumento della fluorescenza del GFP durante la corsa, indicando la complessità stratificata delle interazioni neuronali ed emodinamiche.

#Comprendere le risposte dei singoli neuroni

I ricercatori hanno ulteriormente esplorato se i singoli neuroni potessero rispondere in modo significativo a diversi stimoli. Hanno misurato le risposte dei neuroni nella corteccia visiva durante la locomozione e la presentazione di stimoli visivi. Remarkably, un numero notevole di neuroni ha mostrato cambiamenti significativi nella fluorescenza del GFP in risposta a questi eventi.

Sebbene la risposta dell'intera popolazione fosse simile tra GFP e indicatori di calcio, quando si osservavano le risposte dei neuroni singoli, gli indicatori di calcio mostrano generalmente un range più ampio di attività massima. Questo suggerisce che, mentre l'occlusione emodinamica gioca un ruolo nei segnali di fluorescenza complessivi, i singoli neuroni possono comunque mostrare livelli di attività distinti.

#Influenza emodinamica sull'attività neuronale

Una delle scoperte significative della ricerca è che i cambiamenti nella fluorescenza del GFP erano strettamente legati alla dimensione e dilatazione dei vasi sanguigni. Questa relazione indica che mentre i vasi sanguigni si espandono o contraggono, la trasmissione della luce è influenzata, impattando la fluorescenza osservata dai neuroni.

La ricerca ha mostrato che durante esperimenti specifici, i vasi sanguigni nell'area osservata si dilatavano in risposta a stimoli visivi. Tracciando sia la dimensione dei vasi sanguigni sia i cambiamenti nella fluorescenza del GFP, i ricercatori hanno trovato una forte correlazione tra i due. Questo fornisce prove che i cambiamenti emodinamici possono influenzare le misurazioni dell'attività neuronale, rendendo cruciale tenere conto di questi effetti negli studi di imaging.

#Indagare la sensibilità al contesto

I ricercatori hanno anche indagato come il contesto influenzasse le risposte del GFP attraverso vari comportamenti e condizioni. Hanno scoperto che le risposte variavano tra diversi contesti visuomotori. Ad esempio, le risposte durante condizioni a circuito chiuso e aperto durante la locomozione differivano, suggerendo che la natura dell'input visivo influisce su come i neuroni rispondono.

Nel layer 2/3 di V1, le risposte erano simili durante condizioni a circuito chiuso e aperto, indicando un forte segnale legato alla locomozione. Al contrario, durante condizioni di buio, le risposte erano più basse. Questo mette in evidenza come il contesto visivo possa modulare le risposte neuronali ed emodinamiche.

#Analisi delle correlazioni durante la locomozione

Un altro aspetto interessante dello studio è stata l'analisi delle correlazioni dei segnali GFP durante la locomozione. Con l'aumento della locomozione, le correlazioni a coppie tra le risposte dei singoli neuroni aumentavano anche. Questo effetto è stato trovato attraverso diversi strati della corteccia.

Questo risultato si allinea con ricerche precedenti suggerendo che l'attività neuronale tipicamente decorella durante il movimento. Tuttavia, la presenza di segnali emodinamici sembrava generare un risultato diverso, indicando che la dinamica del flusso sanguigno potrebbe portare a un aumento delle correlazioni durante la locomozione.

#Confronto tra imaging widefield e a due fotoni

Per comprendere meglio l'impatto delle dinamiche emodinamiche, i ricercatori hanno confrontato i loro risultati dall'imaging a due fotoni con l'imaging widefield. Hanno ripetuto l'imaging GFP in varie aree del cervello e hanno scoperto che le risposte registrate con l'imaging widefield erano simili a quelle dell'imaging a due fotoni.

La locomozione e gli stimoli visivi hanno prodotto forti risposte GFP in modo simile attraverso entrambi i metodi di imaging, suggerendo che i problemi di occlusione emodinamica influenzano varie tecniche di imaging. La coerenza tra i metodi sottolinea l'importanza di tenere conto degli effetti del flusso sanguigno nell'interpretare l'attività neuronale.

#Sensori GRAB e influenza emodinamica

Oltre al GFP, i ricercatori hanno esplorato l'uso di sensori GRAB, che rilevano neuromodulatori come dopamina, serotonina e acetilcolina. Hanno cercato di determinare se questi sensori mostrassero anch'essi risposte simili influenzate dai cambiamenti emodinamici.

I risultati hanno mostrato che le risposte misurate con i sensori GRAB rispecchiavano quelle osservate con l'imaging GFP. Tuttavia, la magnitudine di queste risposte era generalmente inferiore, rendendo più difficile separare l'influenza emodinamica dalle reali risposte dei sensori.

Lo studio ha concluso che, sebbene i sensori GRAB possano comunque fornire informazioni preziose sull'attività neuronale, l'impatto delle dinamiche del flusso sanguigno è un fattore significativo che deve essere considerato.

#Implicazioni per la ricerca futura

I risultati di questa ricerca offrono importanti intuizioni sulla relazione tra attività neuronale e cambiamenti emodinamici. I risultati evidenziano la necessità di cautela nell'interpretare i dati di imaging ottico, in particolare nei casi in cui il rapporto segnale-rumore del sensore non è sostanzialmente superiore agli effetti emodinamici.

Inoltre, lo studio suggerisce che i ricercatori devono sviluppare metodi per tenere conto di questi contributi emodinamici durante l'imaging. Questo potrebbe comportare esperimenti separati per quantificare gli effetti emodinamici o l'impiego di tecniche di imaging avanzate che possono catturare simultaneamente sia l'attività neuronale che le dinamiche del flusso sanguigno.

#Conclusione

In sintesi, questa ricerca migliora la nostra comprensione di come l'attività neuronale interagisca con i cambiamenti del flusso sanguigno nel cervello. Utilizzando tecniche di imaging ottico e caratterizzando i segnali emodinamici, i ricercatori possono ottenere informazioni più profonde su come funziona il cervello durante vari comportamenti. Riconoscere l'impatto delle dinamiche del flusso sanguigno è fondamentale per interpretare accuratamente i risultati e far progredire il campo delle neuroscienze.