La Scuola di Ingegneria dell’Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) ha annunciato una scoperta che potrebbe segnare una svolta nello studio del cervello. Un gruppo di ricercatori guidato dal professor Qu Jianan ha infatti sviluppato la prima tecnologia al mondo capace di catturare immagini ad alta risoluzione del cervello di topi svegli, senza l’uso dell’anestesia. Un progresso che consente di osservare il cervello nel suo stato naturale e pienamente funzionante, aprendo nuove prospettive per la comprensione delle funzioni cerebrali umane, sia in condizioni normali che patologiche.
Una nuova frontiera per lo studio del cervello
Il cervello umano è un sistema di straordinaria complessità, e la sua esplorazione ha sempre rappresentato una sfida per la scienza. Le tecniche oggi più comuni — MRI, EEG, CT e PET — permettono solo una visione limitata delle strutture e delle attività neuronali più fini.
Proprio per questo, i topi da laboratorio rappresentano da tempo un modello fondamentale per testare terapie contro disturbi neurologici come Alzheimer, epilessia o malattie neurodegenerative, oltre che per lo studio di tumori e vaccini. Tuttavia, la necessità di anestetizzare gli animali altera profondamente parametri vitali come la circolazione sanguigna o l’attività neuronale, riducendo l’affidabilità dei risultati.
La nuova tecnologia, denominata Multiplexing Digital Focus Sensing and Shaping (MD-FSS), supera questi limiti offrendo immagini nitide del cervello in condizioni di piena attività. L’innovazione nasce dall’evoluzione di una precedente ricerca dello stesso team, l’ALPHA-FSS, pubblicata su Nature Biotechnology nel 2022, che aveva già permesso di ottenere una risoluzione subcellulare tramite microscopia a tre fotoni. Tuttavia, la velocità di scansione era troppo bassa per catturare immagini nitide di animali svegli.
Dieci volte più veloce e immagini più nitide
Con MD-FSS, i ricercatori hanno risolto il problema della lentezza e del mosso, aumentando di oltre dieci volte la velocità di acquisizione delle immagini. Il sistema utilizza fasci laser multipli, ciascuno con una frequenza unica, per generare interferenze non lineari all’interno del cervello. Grazie a una sofisticata decodifica digitale, è possibile misurare la funzione di diffusione dei punti (PSF) in meno di 0,1 secondi, seguendo in tempo reale l’attività cerebrale e restituendo immagini estremamente precise.
La risoluzione ottenuta tramite questa tecnica è centinaia o migliaia di volte superiore a quella di EEG o CT tradizionali, permettendo di osservare singoli neuroni, cellule immunitarie e capillari con straordinaria chiarezza. Integrando MD-FSS con la microscopia a tre fotoni, il team ha sviluppato l’Adaptive Optics Three-photon Microscopy, una tecnologia capace di monitorare flussi sanguigni, attività neuronali e persino le interazioni tra cellule cerebrali e vasi sanguigni.
Il professor Qu ha sottolineato che questo approccio consente di ottenere osservazioni in tempo reale e quasi non invasive in animali svegli, impossibili fino a oggi: “Ora possiamo catturare la dinamica neuronale e vascolare a risoluzione subcellulare senza gli effetti distorsivi dell’anestesia”.
Una piattaforma pronta a espandersi
Un altro aspetto cruciale del MD-FSS è la sua scalabilità. L’attuale sistema impiega otto fasci laser, ma potrà essere ampliato fino a decine o centinaia, aumentando ulteriormente la velocità e la copertura delle scansioni.
Secondo il professor Qu, questa non è una semplice evoluzione tecnica: “Abbiamo costruito una piattaforma versatile che potrà essere estesa a regioni cerebrali più ampie e integrata con analisi funzionali complesse”. In prospettiva, la tecnologia potrà aiutare i neuroscienziati a indagare in modo inedito processi cognitivi, memoria, salute mentale e progressione delle malattie neurologiche.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications.
