Microscopio a Due Fotoni Consente ai Ricercatori di Monitorare l’Attività Cerebrale in Tempo Reale

Il monitoraggio dell’attività cerebrale è stato un elemento fondamentale delle neuroscienze sin dall’emergere di questa capacità. Il cervello umano è meno compreso dell’universo e degli oceani. Perciò, c’è un enorme sforzo per svelare i misteri che risiedono nella tua mente. Ora, i ricercatori possono approfondire l’attività mentale in tempo reale usando un metodo rivoluzionario di microscopio a fluorescenza a due fotoni. Ecco cosa devi sapere.

Comprendere l’attività cerebrale è cruciale per molti settori, incluso il trattamento di malattie neurologiche come l’Alzheimer. Gli scienziati hanno dedicato notevoli sforzi a svelare come i neuroni comunicano e interagiscono durante il pensiero. L’obiettivo di questa ricerca è comprendere pienamente le complesse interazioni neurali fino alla risoluzione cellulare.

I ricercatori sperano di utilizzare questi dati per far luce sulle funzioni cerebrali fondamentali, che un giorno potrebbero portare a miglioramenti nell’apprendimento, nella memoria, nel processo decisionale e nella cura della salute. Per realizzare questo compito hanno creato uno strumento avanzato di imaging a due fotoni capace di tracciare i processi neurali dinamici in tempo reale, consentendo una comprensione più profonda del cervello durante l’apprendimento, le attività e gli stati patologici.

Metodi Attuali di Registrazione dell’Attività Cerebrale

Esistono diversi metodi di registrazione dell’attività cerebrale attualmente in uso. Questi approcci hanno contribuito allo sviluppo del settore fino ad oggi. Tuttavia, presentano alcuni svantaggi significativi, tra cui richiedono più tempo per monitorare l’attività, possono essere dannosi per il paziente e sono proibitivi in termini di costi. I due metodi più comuni attualmente utilizzati includono la Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) e l’Elettroencefalografia (EEG).

Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI)

La Risonanza Magnetica Funzionale è uno dei metodi più avanzati utilizzati per monitorare le onde cerebrali oggi. Questa procedura non invasiva integra campi magnetici e onde radio per creare un’immagine 3D dei impulsi elettromagnetici del tuo cervello. Questa strategia ha rappresentato un miglioramento significativo rispetto alle opzioni precedenti, poiché ha permesso ai ricercatori di ingrandire un particolare gruppo di neuroni, migliorando notevolmente la loro comprensione complessiva dell’attività cerebrale.

Elettroencefalografia (EEG)

Un altro metodo che potresti aver visto nei film è l’Elettroencefalografia. Questo approccio misura l’attività elettrica del tuo cervello. I pazienti devono posizionare sensori speciali sul cuoio capelluto, sensibili alle correnti elettriche. Questo metodo di tracciamento delle onde cerebrali è stato utilizzato sin dal 1975, quando Richard Caton lo impiegò per monitorare con successo gli impulsi elettrici presenti nei cervelli di conigli e scimmie.

Da allora, questo metodo di registrazione dell’attività cerebrale è migliorato notevolmente. Negli anni ’50 è stata introdotta la prima iterazione moderna dell’EEG. Ha servito fedelmente come metodo principale di tracciamento delle onde cerebrali fino agli anni ’80. Nel 1988 è stato utilizzato per consentire a una persona di controllare un robot ed è ancora impiegato da molti ricercatori.

Studio

Lo studio “High-speed two-photon microscopy with adaptive line-excitation” è stato pubblicato su Optica, rivelando come la microscopia a due fotoni possa fornire immagini ad alta velocità senza pari dell’attività neurale. Queste foto sono state realizzate a risoluzione cellulare utilizzando un microscopio a fluorescenza a due fotoni progettato appositamente.

Microscopio a Fluorescenza a Due Fotoni

Il microscopio a fluorescenza a due fotoni è in grado di fornire immagini vivide in profondità nel tessuto cerebrale. Per realizzare questo compito, il meccanismo introduce una struttura di campionamento adattivo. Questa struttura viene ripetuta durante l’esperimento per creare immagini 3D dinamiche e mappe dell’attività cerebrale.

Strategia di Campionamento Adattivo

Al centro dello studio vi è l’introduzione della strategia di campionamento adattivo. Questo metodo sostituisce le tecniche tradizionali di illuminazione puntiforme. Invece, viene impiegata una strategia di illuminazione a linea più efficace, insieme a un metodo di scansione puntuale aggiornato che offre molti più dettagli e capacità di monitoraggio rispetto ai metodi precedenti.

Scansione Puntuale

La scansione puntuale nei vecchi metodi lasciava molto a desiderare. Per esempio, era estremamente specifica, il che spesso portava all’incapacità di tracciare un’intera sequenza di neuroni attraverso il cervello. Il nuovo metodo di scansione puntuale utilizza una strategia di illuminazione a linea modificata per imitare i metodi di scansione puntuale ad alta risoluzione. Questa strategia è fondamentale per identificare quali aree del cervello devono passare alla fase successiva del processo, la scansione a linea.

Illuminazione a Linea

L’illuminazione a linea è una svolta per gli ingegneri della neurologia. Il metodo proietta una piccola linea di luce su un’area campionata. Questo approccio eccita la fluorescenza, facilitando il tracciamento dei segnali neurologici attraverso il cervello dall’inizio alla fine. Inoltre, questo approccio consente di eccitare, scansionare e mappare in tempo reale una zona molto più ampia del cervello.

Test del Microscopio a Due Fotoni

La fase di test del microscopio a fluorescenza a due fotoni ha coinvolto due topi da laboratorio, nei quali i ricercatori sono stati in grado di tracciare l’attività neuronale nella corteccia di un topo in tempo reale. Notoriamente, l’unità può catturare segnali d’immagine fino a 198 Hz attualmente. In questo test, gli ingegneri hanno monitorato i segnali di calcio, che possono indicare l’attività neurale recente.

Dispositivo a Micromirror Digitale (DMD)

Per realizzare questo compito, viene creato un modello di fascio laser appositamente configurato utilizzando un dispositivo a micromirror digitale (DMD). Questa unità contiene migliaia di microspecchi. Ognuno di questi specchi ha controlli individuali che consentono di modellare e indirizzare la luce verso parti precise del cervello. Inoltre, gli specchi possono essere impostati per attivarsi e disattivarsi in base all’attività neurale, consentendo una migliore imaging in tutti gli stati cerebrali.

fonte – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Risultati del Test del Microscopio a Fluorescenza a Due Fotoni

I risultati dei test hanno prodotto dati inaspettati con il potenziale di migliorare i metodi attuali e rivoluzionare il settore. In primo luogo, lo studio ha rivelato come il microscopio a fluorescenza a due fotoni offra una comprensione senza pari del funzionamento interno del cervello. La capacità di creare immagini ad alta velocità usando l’eccitazione a linea corta e lo schema di campionamento adattivo apre la porta a molte potenziali applicazioni future.

I ricercatori hanno scoperto che il nuovo metodo ha permesso loro di monitorare neuroni individuali a un livello mai possibile prima. Questi nuovi dati saranno utilizzati per creare algoritmi computazionali avanzati che un giorno aiuteranno i neurologi a isolare e comprendere meglio l’uso dei singoli neuroni.

Benefici

Questo studio porta sul mercato una lunga lista di benefici. In primo luogo, questo tipo di imaging cerebrale consente ai ricercatori di comprendere l’architettura funzionale del cervello in modi precedentemente inimmaginabili. Ora possono vedere come certe cellule cerebrali interagiscono e comunicano durante processi specifici.

Trattamento delle Malattie Neurologiche

Questa comprensione potrebbe rivelarsi fondamentale nella lotta contro l’aumento di malattie neurologiche come l’Alzheimer e il Parkinson. Entrambe queste patologie causano la morte di centinaia di migliaia di persone ogni anno. Negli Stati Uniti, circa +120.000 persone muoiono solo per l’Alzheimer. Purtroppo, questo numero dovrebbe salire a 13,8 milioni a livello globale entro il 2060.

Comprendere come il cervello opera in questi stati rispetto a quando è sano può consentire agli ingegneri di colmare questo divario e riportare il cervello alle sue funzioni originali. Per ora, i dati hanno un valore immenso per svelare i numerosi segreti necessari a rendere reale questo tipo di trattamento.

Apprendimento

Un altro motivo importante per cui il monitoraggio dell’attività cerebrale è cruciale per il futuro di una nazione è che potrebbe essere usato per migliorare l’apprendimento. Comprendere cosa rende una memoria duratura o come richiamare le informazioni più rapidamente sono solo alcuni dei campi di interesse che questo tipo di monitoraggio cerebrale potrebbe migliorare. In futuro, i programmi scolastici potrebbero basarsi sulla ritenzione neurale anziché sugli attuali numerosi standard.

Immagini più Veloci

L’uso dei vecchi metodi per misurare l’attività neurologica era efficace ma richiedeva molto tempo. Inoltre, non fornivano immagini sufficientemente rapide per dare ai ricercatori i dettagli necessari a una comprensione complessa delle azioni mentali. Questo nuovo metodo è 10 volte più veloce della microscopia a due fotoni tradizionale, consentendo ai ricercatori di monitorare e tracciare fenomeni mentali che i sistemi più vecchi non potevano registrare.

Meno Danni

Le prestazioni più rapide comportano minore esposizione per i pazienti. Inoltre, il sistema richiede laser meno potenti. Riducendo la potenza del laser e accorciando l’esposizione, i pazienti subiscono molta meno radiazione energetica depositata sul tessuto cerebrale. Il nuovo sistema illumina solo i neuroni interessati, riducendo il rischio di danni al tessuto sensibile.

Meno Costi

La riduzione dei costi è un altro vantaggio di questo nuovo approccio. Secondo lo studio, il microscopio a fluorescenza a due fotoni richiede 10 volte meno potenza laser rispetto ai metodi tradizionali a due fotoni. Questa riduzione di potenza si traduce in maggiore sostenibilità e minore impatto ambientale.

Espandibile

Uno dei maggiori vantaggi della nuova tecnica è che può essere combinata senza soluzione di continuità con altri metodi efficaci. Già i ricercatori hanno dichiarato l’intenzione di accoppiare il dispositivo con altre procedure come il multiplexing del fascio e la messa a fuoco remota. Queste tecniche aumentano la velocità di imaging e consentono la creazione di immagini volumetriche 3D in tempo reale.

Ricercatori

Questo studio è stato condotto presso l’University of California, Davis, con Yunyang Li come autore principale. Il team di ricerca includeva Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo e Weijian Yang. Il finanziamento del progetto proviene da varie fonti, tra cui il Burroughs Wellcome Fund, la National Science Foundation, il National Institute of Neurological Disorders and Stroke e il National Eye Institute.

Due Aziende che Possono Prosperare da Questa Ricerca

Molti produttori potrebbero integrare questa tecnologia nelle loro offerte per fornire un livello di servizio più elevato al mercato. Da aziende che cercano di alleviare la demenza a imprese di robotica, ci sono infinite ragioni per cui sfruttare l’attività cerebrale e comprenderla ha senso. Ecco due aziende che sono pronte ad adottare questa tecnologia nei prossimi mesi.

1. BrainChip Holdings Ltd

BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) è un popolare simulatore di reti cerebrali. L’azienda è entrata sul mercato nel 2004 ed ha sede in Australia. Il suo fondatore, Peter Van Der Made, è stato fondamentale nel mantenere gli sforzi pionieristici dell’azienda focalizzati sull’integrazione di intelligenza artificiale (AI) avanzata e apprendimento automatico (ML) per migliorare i risultati.

Oggi, l’azienda offre una varietà di prodotti, inclusa un’infrastruttura IoT modellata sulla rete neurale del cervello. Un altro prodotto popolare che ha aiutato BrainChip a guadagnare notorietà è l’Akita Development Environment, che consente agli sviluppatori di creare, addestrare e testare reti neurali sperimentali.

BrainChip Holdings ha riscontrato alcuni svantaggi dal 2023. Tuttavia, il più recente software dell’azienda e le sue iniziative nei settori AI e ML hanno riacceso l’interesse degli investitori. Perciò, BrainChip Holdings Ltd è considerata con un forte potenziale di crescita.

2. Biogen

Biogen è una società di ricerca farmaceutica che ha recentemente suscitato grande attenzione sul mercato. Il produttore con sede nel Massachusetts è specializzato nel trattamento e nella cura di malattie neurologiche. Attualmente, dispone di prodotti che aiutano a trattare malattie neurologiche, neurodegenerative e autoimmuni.

Biogen ha ricevuto alcune critiche per aver accelerato il rilascio di alcuni dei suoi trattamenti, ma ciò non ha rallentato la crescita della sua notorietà sul mercato. Il loro ultimo prodotto, Leqembi, è stato approvato dalla FDA con procedura fast-track ed è progettato per trattare la malattia di Alzheimer. L’uso del loro ultimo farmaco è quasi triplicato nell’ultimo anno, il che ha aiutato l’azienda a consolidare una posizione di mercato più forte. Perciò, l’esposizione precoce di Biogen al mercato dei trattamenti per l’Alzheimer e la combinazione della sua offerta la rendono un potenziale acquisto solido per gli investitori.

Il Microscopio a Due Fotoni Fornisce un’Anteprima del Futuro

Il microscopio a fluorescenza a due fotoni avvicina l’umanità di un passo alla possibilità di interagire con l’ambiente usando solo il pensiero. Questo team di ricerca innovativo ha spinto i confini della ricerca neurologica ed è emerso con una comprensione dell’attività cerebrale umana mai vista prima. Questa ricerca sicuramente genererà ulteriori studi che un giorno potranno portare a una riduzione delle malattie neurologiche e a molti altri progressi.

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