Un dispositivo wireless controlla i neuroni e fa interagire i topi tra loro

Un dispositivo wireless controlla i neuroni e fa interagire i topi tra loro

Sperimentato dai ricercatori della Northwestern University un dispositivo spesso mezzo millimetro inserito sotto la pelle del topo, che utilizzata la stessa tecnologia degli smartphone per i pagamenti elettronici, e che stimola i ratti a interagire tra loro in tempo reale. Il metodo potrebbe presto essere utilizzato per riparare la cecità o invertire la paralisi

scienza luce attiva neuroni fa interagire topi

© Northwestern University 
- Il dispositivo wireless completamente impiantabile consente la ricerca ontogenetica negli animali 

AGI - Per la prima volta in assoluto, ingegneri e neurobiologi hanno programmato in modalità wireless - e poi deprogrammato - topi per interagire socialmente tra loro in tempo reale.

L'esperimento è stato realizzato grazie a un dispositivo ultraminiaturizzato, senza batteria e completamente impiantabile primo nel suo genere che utilizza la luce per attivare i neuroni. A realizzarlo sono stati i ricercatori della Northwestern University (USA), che hanno pubblicato i dettagli della loro ricerca sulla rivista Nature Neuroscience.

Questo studio è il primo documento di optogenetica (un metodo per controllare i neuroni con la luce) che esplora le interazioni sociali all'interno di gruppi di animali, cosa che in precedenza era impossibile con le attuali tecnologie.

La struttura sottile, flessibile e wireless dell'impianto consente ai topi di apparire normali e di comportarsi normalmente in ambienti realistici, consentendo ai ricercatori di osservarli in condizioni naturali. La ricerca precedente che utilizzava l'optogenetica richiedeva fili a fibre ottiche, che limitavano i movimenti del topo e li faceva impigliare durante le interazioni sociali o in ambienti complessi. 

"Con le tecnologie precedenti - ha spiegato il neurobiologo Yevgenia Kozorovitskiy, che ha progettato l'esperimento - non eravamo in grado di osservare più animali che interagiscono socialmente in ambienti complessi perché erano legati. Per porre domande più complesse sul comportamento degli animali in ambienti realistici, avevamo bisogno di questa innovativa tecnologia wireless".

A guidare lo sviluppo tecnologico dell'esperimento è stato John A. Rogers, il quale ha spiegato che l'attività cerebrale in un animale isolato è interessante, "ma andare oltre la ricerca sugli individui per studiare gruppi complessi che interagiscono socialmente è una delle frontiere più importanti ed entusiasmanti della neuroscienza. Ora abbiamo la tecnologia per indagare su come si formano e si rompono i legami tra gli individui in questi gruppi e per esaminare come le gerarchie sociali derivano da queste interazioni".       

Introdotta in modelli animali intorno al 2005, l'optogenetica offre il controllo di neuroni specifici e geneticamente mirati al fine di sondarli con dettagli senza precedenti per studiarne la connettività o il rilascio di neurotrasmettitori. I ricercatori modificano innanzitutto i neuroni nei topi viventi per esprimere un gene modificato da alghe sensibili alla luce.

Quindi possono utilizzare la luce esterna per controllare e monitorare in modo specifico l'attività cerebrale. A causa dell'ingegneria genetica coinvolta, il metodo non è però ancora approvato negli esseri umani. "Sembra fantascienza - ha detto Kozorovitskiy - ma è una tecnica incredibilmente utile. L'optogenetica potrebbe presto essere utilizzata per riparare la cecità o invertire la paralisi". 

I precedenti studi di optogenetica, tuttavia, erano limitati dalla tecnologia disponibile per fornire luce. Sebbene i ricercatori potessero facilmente sondare un animale in isolamento, era difficile controllare simultaneamente l'attività neurale in schemi flessibili all'interno di gruppi di animali che interagivano socialmente.

L'innovativa tecnologia wireless

Rogers e il suo team hanno sviluppato un minuscolo dispositivo wireless che poggia delicatamente sulla superficie esterna del cranio ma sotto la pelle e il pelo di un piccolo animale. Il dispositivo spesso mezzo millimetro si collega a una sonda filamentosa sottile e flessibile con LED sulla punta, che si estendono nel cervello attraverso un minuscolo difetto cranico.

Il dispositivo in miniatura sfrutta i protocolli di comunicazione near-field, la stessa tecnologia utilizzata negli smartphone per i pagamenti elettronici. I ricercatori utilizzano la luce in modalità wireless in tempo reale con un'interfaccia utente su un computer. Un'antenna che circonda il recinto degli animali fornisce alimentazione al dispositivo wireless, eliminando così la necessità di una batteria ingombrante e pesante.

Quando i topi erano fisicamente vicini l'uno all'altro in un ambiente chiuso, il team di Kozorovitskiy ha attivato in modalità wireless in modo sincrono una serie di neuroni in una regione del cervello correlata alla funzione esecutiva di ordine superiore, facendo aumentare la frequenza e la durata delle interazioni sociali. La desincronizzazione della stimolazione ha ridotto prontamente le interazioni sociali nella stessa coppia di topi.

In un contesto di gruppo, i ricercatori potrebbero influenzare una coppia scelta arbitrariamente per interagire più di altri. "In realtà - ha detto Kozorovitskiy - non pensavamo che avrebbe funzionato. A nostra conoscenza, questa è la prima valutazione diretta di un'importante ipotesi di vecchia data sulla sincronia neurale nel comportamento sociale".