Nuovi strumenti di imaging per osservare i neuroni

Le neuroscienze sono lo studio del cervello e delle sue funzioni. Una delle principali sfide in questo campo è capire come le informazioni vengono elaborate dai Neuroni, le cellule che trasmettono i segnali nel cervello. I ricercatori sono interessati a come i singoli neuroni collaborano e come le diverse aree del cervello comunicano tra loro. Per studiare questo, gli scienziati devono osservare e misurare l'attività dei neuroni in tempo reale.

#Tecniche di Imaging

Ci sono diversi modi per visualizzare l'attività neuronale. Uno dei metodi comuni è la risonanza magnetica (RM), che può analizzare grandi aree del cervello. Tuttavia, la RM ha delle limitazioni quando si tratta di osservare l'attività dei singoli neuroni. Ci sono anche metodi di microscopia a fluorescenza che permettono agli scienziati di vedere i neuroni uno per uno.

Una tecnica popolare coinvolge la misurazione dei livelli di Calcio nei neuroni. Gli ioni di calcio giocano un ruolo chiave nella comunicazione tra neuroni. Per monitorare il calcio, i ricercatori usano Indicatori speciali che cambiano la loro emissione luminosa quando si legano al calcio. Questi indicatori hanno fatto progressi significativi, specialmente con lo sviluppo di indicatori di calcio geneticamente codificati (GECI). I GECI sono proteine che possono essere mirate a cellule specifiche, rendendole utili per studiare funzioni cerebrali complesse.

#La Sfida

Nonostante questi progressi, l'imaging a fluorescenza tradizionale ha un grande svantaggio: può vedere solo pochi millimetri nel tessuto cerebrale. Questo perché la luce usata in questi metodi si disperde mentre passa attraverso il cervello, limitando quanto in profondità gli scienziati possono guardare.

C'è un'altra tecnica chiamata Imaging fotoacustico (PAI) che utilizza onde sonore create dall'assorbimento della luce nei tessuti. Questo metodo può penetrare più a fondo nel tessuto (fino a diversi centimetri) e catturare aree più ampie del cervello ad alta risoluzione. Tuttavia, il PAI non è stato ampiamente adottato nelle neuroscienze, principalmente perché non ci sono abbastanza indicatori di calcio efficaci che funzionano bene con questa tecnica.

#La Necessità di Nuovi Strumenti

Perché l'imaging fotoacustico abbia successo, devono esserci indicatori che possano legarsi agli ioni di calcio e produrre segnali forti. Questi indicatori devono soddisfare vari requisiti: dovrebbero assorbire bene la luce nella gamma del rosso lontano o vicino all'infrarosso per minimizzare l'interferenza di altre molecole, non dovrebbero emettere molta luce da soli (per migliorare il segnale fotoacustico), e dovrebbero essere stabili e in grado di attaccarsi a cellule specifiche.

Gli attuali sonde di calcio spesso non soddisfano queste esigenze. Molti degli indicatori a piccole molecole esistenti sono difficili da consegnare nelle cellule e la loro sensibilità non è molto alta. Alcuni indicatori fluorescenti possono reagire al calcio ma non riescono a penetrare in profondità nel cervello a causa della loro alta emissione luminosa e delle lunghezze d'onda che richiedono per l'attivazione.

#Un Nuovo Approccio

Per affrontare questi problemi, i ricercatori hanno iniziato a sviluppare un nuovo tipo di strumento di imaging che combina coloranti a piccole molecole con proteine che possono legarsi specificamente ad essi. Questo metodo sfrutta una proteina chiamata HaloTag, che può ancorarsi a determinati coloranti in base a come sono progettati. Questo approccio ibrido ha mostrato promesse per creare sensori fotoacustici per il calcio.

Progettando coloranti speciali che cambiano le loro caratteristiche di assorbimento della luce quando si legano a HaloTag, i ricercatori sono riusciti a creare indicatori che funzionano bene nelle applicazioni di imaging. Questi nuovi coloranti "acoustogenici" possono creare segnali fotoacustici forti pur rimanendo relativamente non fluorescenti, rendendoli adatti per l'imaging di tessuti profondi.

#Progettare Indicatori Efficaci

Per sviluppare questi indicatori, i ricercatori hanno sperimentato diverse famiglie di coloranti, identificando quali caratteristiche strutturali ottimizzerebbero le loro prestazioni. Hanno cercato coloranti che assorbono fortemente la luce nelle lunghezze d'onda desiderate, assicurandosi anche che non emettessero molta luce nelle modalità di rilevamento.

Ad esempio, alcune modifiche ai coloranti includevano l'aggiustamento della loro struttura chimica per bilanciare assorbimento e proprietà non fluorescenti. I ricercatori hanno studiato gli effetti di diversi sostituenti sulle molecole di colorante, il che ha aiutato a spostare l'equilibrio di come questi indicatori interagiscono con le proteine HaloTag.

Dopo aver testato sistematicamente una gamma di composti, sono riusciti a identificare diversi candidati promettenti che non solo mostrano ottime proprietà di assorbimento, ma anche cinetiche di legame rapide con HaloTag.

#Test in Condizioni di Laboratorio

Una volta creati i nuovi indicatori, sono stati testati in ambienti di laboratorio controllati. I ricercatori hanno valutato quanto bene funzionano i coloranti quando sono attaccati alle proteine HaloTag in diverse condizioni. Misurando i cambiamenti nell'assorbimento e nel segnale fotoacustico quando il calcio è presente, hanno confermato che i nuovi coloranti possono effettivamente rilevare i livelli di calcio.

I risultati promettenti hanno portato i ricercatori a valutare ulteriormente questi indicatori in ambienti simili ai tessuti, simulando le condizioni trovate nei cervelli vivi. Questi test hanno aiutato a convalidare le prestazioni degli indicatori in contesti più realistici, fornendo spunti su come potrebbero comportarsi in sistemi biologici reali.

#Usare gli Indicatori in Sistemi Viventi

Con i test di laboratorio che mostravano buoni risultati, il passo successivo era vedere se gli indicatori avrebbero funzionato nei tessuti viventi. I ricercatori hanno introdotto le proteine HaloTag nelle cellule in coltura e poi hanno applicato i coloranti acoustogenici per vedere se riuscivano a etichettare efficacemente le cellule. Hanno scoperto che i nuovi coloranti potevano legarsi selettivamente alla proteina HaloTag, consentendo la visualizzazione delle cellule.

L'obiettivo finale è applicare questi indicatori negli organismi viventi, come i topi, per osservare e misurare l'attività neuronale. I ricercatori hanno iniettato un virus contenente HaloTag in aree specifiche del cervello del topo, permettendo alle cellule di esprimere la proteina. Dopo aver somministrato ai topi il colorante acoustogenico, hanno effettuato imaging per visualizzare le aree in cui si trovavano le proteine.

#Osservare i Risultati

Le immagini ottenute dalla tomografia fotoacustica mostrano segnali forti nelle regioni in cui era espressa HaloTag. Questo indica che i nuovi indicatori possono essere usati per osservare neuroni specifici nel cervello vivente. È interessante notare che i segnali fotoacustici erano significativamente più forti di quelli visti con indicatori fluorescenti esistenti, suggerendo un alto potenziale per questi nuovi strumenti nelle applicazioni di neuroimaging.

#Sfide e Direzioni Future

Anche se i risultati iniziali sono promettenti, ci sono ancora sfide da affrontare. La biodisponibilità degli indicatori nei sistemi viventi è cruciale. I ricercatori hanno notato che l'efficacia della consegna del colorante e quanto bene possano penetrare nei tessuti è un fattore significativo.

Il lavoro futuro si concentrerà sul migliorare la capacità di questi coloranti di raggiungere cellule target e garantire che rimangano efficaci una volta arrivati. Inoltre, ulteriori perfezionamenti nel design degli indicatori stessi potrebbero migliorare le loro prestazioni.

La versatilità dell'approccio chemi-genetico significa che i ricercatori possono continuare a modificare e adattare questi strumenti, potenzialmente creando indicatori ancora più efficaci per varie modalità di imaging. I continui progressi nella tecnologia di imaging supporteranno anche nuove scoperte nelle neuroscienze.

#Conclusione

Lo sviluppo di questi nuovi indicatori acoustogenici segna un passo significativo avanti nelle tecniche di imaging per le neuroscienze. Combinando coloranti a piccole molecole con proteine HaloTag, i ricercatori hanno creato strumenti potenti per osservare i livelli di calcio nei neuroni. Man mano che queste tecnologie migliorano, hanno il potenziale di trasformare la nostra comprensione del cervello e delle sue funzioni, rendendo più facile studiare come le informazioni vengono elaborate in tempo reale.