Cocaina e paura illuminano le stesse aeree del cervello
Grazie alla nuova tecnica, chiamata CLARITY e sperimentata per la prima volta alla Stanford University da oltre 1 anno e mezzo (Aprile 2013), i circuiti cerebrali che rispondono alla dipendenza da cocaina ed al terrore sono stati modellati in immagini in 3D.
Una tecnica che permette al cervello di topo di mostrarsi in trasparenza rivelando le aeree neuronali coinvolte e dare indicazioni su come l’intero cervello reagisce alla dipendenza da cocaina ed alla paura. I risultati potrebbero scoprire nuovi circuiti cerebrali interessati e coinvolti nella risposta ai farmaci ed alle sostanze adoperate.
Nella tecnica, nota come CLARITY , i cervelli (di ratti) sono infusi con acrilammide, che forma una matrice nelle cellule e preserva la loro struttura con il DNA e proteine al loro interno. Gli organi vengono poi trattati con un detergente che scioglie i lipidi opachi, lasciando le cellule completamente trasparenti.
Per verificare se CLARITY (alla lettera “CHIAREZZA”) potrebbe essere usato per mostrare come il cervello reagisce agli stimoli, i neuroscienziati Li Ye e Karl Deisseroth della Stanford University in California hanno ingegnerizzato dei topi in modo tale che i loro neuroni producano una proteina fluorescente quando ricevono la somministrazione (il sistema viene attivato mediante iniezione di un farmaco). I ricercatori hanno poi condizionato quattro di questi topi ad aspettarsi uno shock elettrico doloroso su di una zampina, quando venivano collocati in un particolare contenitore; mentre un’altra serie di topi, quando venivano collocati in quello stesso contenitore, ricevevano cocaina invece della scossa elettrica.
Una volta che i topi avevano imparato ad associare la collocazione nella scatola con il dolore o con la sostanza di ricompensa-dipendenza, i ricercatori hanno verificato come i cervelli degli animali hanno risposto agli stimoli. Hanno iniettato alle cavie il farmaco che attivava il sistema di proteina fluorescente, poi li hanno collocati nella stessa scatola ed aspettato per un’ora, per dare ai loro neuroni il tempo di produrre la reazione visibile con le proteine fluorescenti.
Il passo successivo è stato quello di rimuovere il cervello degli animali, sottoponendolo alla metodologia CLARITY, che elaborava l’immagine utilizzando un sistema che poteva contare ogni cellula fluorescente in tutto il cervello (vedi video qui sopra). Un computer ha elaborato ulteriormente queste immagini del cervello in un modello tridimensionale, che ha mostrato i percorsi neuronali che si illuminavano quando i topi avevano paura o gli veniva somministrata cocaina.
Karl Deisseroth ha ricevuto la laurea ad Harvard nel 1992, il dottorato di ricerca presso la Stanford nel 1998, e il suo MD presso la Stanford nel 2000. Ha completato la formazione post-dottorato, il tirocinio medico, e la psichiatria degli adulti residenziali a Stanford, ed è stato membro-certificato del consiglio di amministrazione americano di Psichiatria e Neurologia nel 2006. Egli cerca di trovare del tempo libero per la pesca con la mosca.
Deisseroth dice che è sempre più evidente che i comportamenti complessi come la dipendenza sono causa di connessioni e diafonia (fenomeno di dissonanza per cui più suoni, segnali o colori combinati vengono percepiti come distinti) tra le diverse parti del cervello, piuttosto che dall’attività in una singola zona. In telecomunicazioni ed elettronica con il termine di “diafonia” o “intonazione”, anche detta crosstalk o cross-talk, si indica il rumore o interferenza elettromagnetica che si può generare tra due cavi vicini di un circuito o di un apparato elettronico. La causa è il campo elettromagnetico tempo-variabile che si genera attorno a un cavo in cui passa corrente non costante (segnale) generando uno scambio di energia da una linea all’altra, all’interno dello stesso conduttore, creando un disturbo indesiderato (la diafonia appunto). Questo campo magnetico variabile può indurre, in un cavo vicino, una differenza di potenziale e quindi una corrente indotta spuria. In particolare quando si ha un circuito “sorgente” alimentato da una tensione e corrente, esso produce un campo elettromagnetico, in cui è immerso il circuito “ricevitore”. Nel secondo circuito si indurrà una corrente (e quindi una tensione).
Li Ye ha ricevuto la laurea in Scienze Biologiche presso la Tsinghua University in Cina e il dottorato di ricerca presso la Harvard University. Durante il suo dottorato di ricerca ha lavorato con Bruce Spiegelman, utilizzando strumenti di biologia chimica per studiare il controllo trascrizionale del metabolismo energetico. Nel Deisseroth Lab, egli è interessato ad utilizzare strumenti di mappatura a livello di tutto il cervello per capire le basi del circuito neuronale e del comportamento nei topi.
Li Ye ha presentato i risultati il 14 novembre scorso in occasione della conferenza del National Institute on Drug Abuse in Bethesda, in Maryland. Egli dice che il gruppo prevede ora di “ingegnerizzare” i topi in modo che i percorsi neuronali individuati in questa ricerca possono essere attivati anche da un lampo di luce, per vedere se questo fa sì che i topi reagiscano allo stesso modo, sia come se fossero condizionati dalla paura (timorosi) o allo stesso modo felici (sotto l’effetto della cocaina).
Informativa del National Institute on Drug Abuse sul nostro sistema limbico e sui processi biochimici che permettono a questa regione chiave del cervello di elaborarne i benefici. Il sistema limbico collega insieme una serie di strutture cerebrali che controllano e regolano la nostra capacità di provare piacere. La sensazione di piacere ci spinge a ripetere i comportamenti che sono fondamentali per la nostra esistenza. Il sistema limbico è attivato da sane, attività di sostegno vitale, come mangiare e socializzare, ma è anche attivato da sostanze d’abuso, ed è per questo che tali sostanze possono dirottare questo circuito portandolo al ciclo compulsivo del consumo di droga ed, in molti casi, , alla tossicodipendenza. Inoltre, il sistema limbico è responsabile della nostra percezione di altre emozioni, sia positive che negative, il che spiega le proprietà di alterare l’umore di molti farmaci.
CLARITY : Il cervello a vista
Gli scienziati hanno escogitato un modo per rendere il cervello del tutto trasparente, in modo da poter essere etichettato con marcatori molecolari e ripreso con un microscopio ottico. La tecnica, chiamata CLARITY, ha permesso ai suoi creatori di produrre le visualizzazioni 3D dettagliate che vedete in questo video. Funziona nel cervello dei topi e nel cervello umano; nel video qui sotto il team lo sta utilizzando per esaminare il cervello di un bambino di 7 anni affetto da autismo.
Le connessioni tra i neuroni nel cervello sono coinvolte in tutto ciò che facciamo, e ciascuno dei modelli è diverso dagli altri. Immaginate le scoperte mediche, se avessimo compreso di più sui circuiti del cervello, ma un tessuto opaco e lattiginoso che ricopre gran parte del cervello umano ha offuscato la nostra visione – fino ad ora.
Con il sostegno della National Science Foundation (NSF), il neuroscienziato e psichiatra Karl Deisseroth e il suo team multidisciplinare alla Stanford University hanno sviluppato una nuova tecnologia di imaging che rende sostanzialmente il cervello trasparente. Si dissolve chimicamente il tessuto opaco in un cervello post-mortem, in luogo di tale tessuto, si inseriscono un idrogel trasparente che mantiene il cervello intatto e fornisce una finestra nella struttura neurale del cervello e dei suoi circuiti neuronali. Si può così poi generare delle dettagliate immagini 3-D che evidenziano specifiche reti neuronali.
Grazie a questa tecnologia innovativa, i ricercatori non dovranno più affettare il cervello ed interrompere la sua biochimica. Deisseroth ha chiamato questo processo “CLARITY”. Si tratta di un modo radicalmente nuovo di vedere il cervello ed è stato ampiamente riconosciuto come un importante passo avanti nel campo dell’imaging dell’intero cervello.
Ottenere informazioni ad alta risoluzione da un sistema complesso, pur mantenendo la prospettiva globale necessaria per comprendere la funzione del sistema, rappresenta una sfida fondamentale in biologia. Qui affrontare questa sfida con un metodo ( definito CLARITY) per la trasformazione di tessuto intatto in una forma idrogel-ibridato nanoporoso (reticolato ad una rete tridimensionale di polimeri idrofili) che è completamente assemblato ma otticamente trasparente a macromolecola-permeabile. Usando il cervello di topo, mostriamo delle immagini del tessuto integro in proiezioni a lungo raggio, il cablaggio del circuito locale, relazioni cellulari, strutture subcellulari, complessi di proteine, acidi nucleici e neurotrasmettitori. CLARITY consente inoltre ai tessuti integri l’ibridazione in situ, immunoistochimica con vari cicli di colorazione e de-colorazione di tipo tissutale non sezionati, e l’etichettatura anticorpale in tutto il cervello integro di topo adulto. Infine, mostriamo che CLARITY consente benissimo l’analisi strutturale di campioni clinici, tra cui tessuto non sezionato umano in una cornice di malattia neuropsichiatrica, che stabilisce un percorso per la trasmutazione del tessuto umano in una forma stabile, intatto e accessibile per sondaggio strutturale e molecolare sulle basi della funzione fisiologica e della condizione di malattia.
Tratto da una pubblicazione del 19 Novembre 2014 | By Sara Reardon e la rivista Nature
