Un microscopio a due fotoni tra cuore e cervello

Cervello e Sangue: essenziali non solo per Zombie e Vampiri

All’interno del nostro organismo, il cervello è l’organo che consuma più energia. Il nostro sistema nervoso centrale è costantemente rifornito di ossigeno e glucosio dall’apparato circolatorio, il quale irrora il nostro cervello attraverso una fitta rete di capillari. L’interruzione di tale rifornimento comporta severi danni al tessuto cerebrale sottolineando il ruolo fondamentale di questa “collaborazione”. L’attività neuronale e il flusso sanguigno sono dunque fortemente correlati, pertanto, lo studio del sistema nervoso non può prescindere da quello dell’apparato circolatorio.

In neuroscienze esistono numerose tecniche e tecnologie per lo studio del sistema nervoso e le sue popolazioni cellulari. Tra le più utilizzate troviamo la microscopia, nello specifico, la microscopia a 2 fotoni. I microscopi a 2 fotoni sono strumenti in grado di penetrare nei tessuti cerebrali senza danneggiarli, pertanto adatti anche all’imaging in vivo. Sfruttando ricombinazione genetica o marker a fluorescenza, questi strumenti permettono di visualizzare le cellule del sistema nervoso, ma anche del sangue, direttamente nei tessuti dell’organismo vivente.

Il monitoraggio del flusso sanguigno è molto importante negli esperimenti in vivo dove rappresenta un utile parametro per controllare lo stato dell’organismo o del tessuto in analisi. La microscopia a 2 fotoni non consente solamente di monitorare i parametri vitali dell’organismo modello, ma anche di correlare le attività neuronali con il flusso sanguigno a livello locale. Il monitoraggio del blood flow rate infatti, fornisce informazioni riguardo la quantità di sangue in arrivo in specifiche aree cerebrali in risposta a determinate attività neuronali o stimoli. Inoltre, un esempio di studio neurovascolare è l’analisi del diametro del vaso capillare in relazione all’attività neuronale, nel quale è possibile valutare/quantificare gli effetti di vasodilatazione e vasocostrizione. Infine, un ulteriore possibilità è lo studio di un ictus, dalle sue conseguenze neuronali e vascolari al processo rigenerativo.

Un esempio di studio neurovascolare è riportato in figura 1. Tale esperimento è stato condotto utilizzando la tecnologia Acousto-Optics di FEMTO 3D ATLAS (Femtonics), particolare microscopio a 2 fotoni in grado di acquisire ad alta velocità regioni tridimensionali. Nello specifico, in figura 1 è possibile notare un neurone e un capillare adiacenti. Grazie allo switching ad alta velocità dei laser, FEMTO 3D ATLAS consente l’acquisizione quasi-simultanea (delta di 30µs) di due lunghezze d’onda, dunque due colorazioni. Per visualizzare due popolazioni cellulari differenti è necessario marcarle con coloranti differenti. In questo determinato esperimento, grazie all’utilizzo del marcatore GCaMP è possibile visualizzare il signalling di Ca2+, mentre un’iniezione di Dextran-TexasRed il plasma è visibile in rosso. Per seguire il vaso capillare è stata utilizzata la modalità Ribbon Scanning, una specifica modalità di acquisizione che consente di localizzare una regione 2D (parallelepipedo detto nastro, “Ribbon”) all’interno di una regione 3D indipendentemente dal piano focale (Figura 1A).

Figura 1: A. Rappresentazione grafica della modalità di acquisizione Ribbon Scanning. All’interno della regione 3D acquisibile con FEMTO 3D ATLAS, l’operatore può posizionare più regioni a forma di nastro per poter seguire le zone d’interesse con il miglior orientamento. B. Frame di una registrazione in vivo di corteccia cerebrale murina. L’attività neuronale è visibile grazie al GCaMP, il quale diventa fluorescente (verde) quando lega agli ioni Ca2+. Il flusso sanguigno è visibile (rosso) in seguito all’iniezione di Dextran-TexasRed

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