Tra tutti i sistemi di cui è composto il corpo, quello nervoso è senza dubbio il più affascinante. Tuttavia, nonostante la sua natura estremamente intrigante, il cervello rimane uno degli organi più misteriosi e difficili da decifrare. Tale complessità deriva in parte dalla sua stessa essenza, ma anche dalle difficoltà tecniche nell’analizzarlo. Districare i complessi network neuronali e comprendere le infinte relazioni tra cellule cerebrali è infatti da sempre desiderio di tutti i neuroscienziati che si sono per anni scontrati con l’assenza di strumenti in grado di supportare la loro ricerca di risposte.
Un’importante pietra miliare nel campo delle neuroscienze è rappresentata dalla microscopia a 2 fotoni, tecnologia in grado di penetrare e visualizzare tessuti vivi senza danneggiarli.
A differenza dei laser utilizzati per la microscopia a fluorescenza convenzionale, i quali forniscono singoli fotoni di luce visibile (lunghezza d’onda corta e quindi alta energia), i laser per la microscopia multifotone eccitano il campione sfruttando l’assorbimento simultaneo di due fotoni infrarossi (lunghezza d’onda lunga e quindi bassa energia). L’utilizzo di lunghezze d’onda più lunghe comporta principalmente due vantaggi: da una parte la riduzione di energia minimizza i danni generati dall’irradiazione aumentandone il potere penetrante, dall’altra, la necessità dell’assorbimento simultaneo di due fotoni implica che l’eccitazione del fluoroforo avviene solamente dove il laser è più concentrato, ovvero sul piano focale. Per tale proprietà, nella microscopia multifotone non avviene la generazione di fluorescenza secondaria derivante dai piani sopra e sotto il piano focale, aumentando quindi il signal-to-noise ratio (SNR).
Un ulteriore momento chiave nell’evoluzione delle neuroscienze è stata l’implementazione di modulatori Acousto-Optic (AO) nei sistemi due fotoni da parte di Femtonics. Questa azienda ha infatti prodotto FEMTO 3D ATLAS, il primo acousto-optic 2-photon microscope al mondo. Tale tecnologia permette di controllare l’orientamento dei laser con elevata precisione e velocità rispetto ai due fotoni convenzionali e soprattutto di visualizzare un’immagine 3D (Figura A). Poiché ogni network neuronale si estende nelle tre dimensioni o su layer corticali differenti tale upgrade tecnologico fornisce ai neuroscienziati un potere di investigazione molto più ampio e completo.
Un esempio perfetto si concretizza in una recente pubblicazione su Science (Nelidova et al., Science, 2020), nella quale sono stati analizzati neuroni della retina utilizzando un’esclusiva modalità di scansione Femtonics chiamata ChessBoard Scanning (Figura B). Grazie alla tecnologia AO è infatti possibile selezionare specifiche regioni all’interno dell’immagine 3D ottenuta con FEMTO 3D ATLAS per poi analizzarle nel tempo. Più nello specifico, ChessBoard scanning permette di selezionare corpi neuronali di interesse con piccole regioni quadrate (a scacchiera, per l’appunto) e seguire le loro Calcium activity (attività elettrica neuronale) lungo un determinato lasso di tempo. In figura C, è possibile notare come i differenti neuroni localizzati in diversi layer retinali, abbiano attività elettrofisiologiche diverse in risposta a stimoli luminosi.
