Brain imaging: la molecola colora le sinapsi e il cervello diventa un cielo stellato

Il risultato della ricerca appena pubblicata su Nature Communications particolarmente importante. Con un gruppo di giovani colleghi all'Università Vita-Salute San Raffaele (Mattia Ferro, Jacopo Lamanna, Maddalena Ripamonti, Gabriella Racchetti, Alessandro Arena, Sara Spadini, Giovanni Montesano e Vincenzo Zimarino) abbiamo messo a punto un metodo veramente rivoluzionario che è in grado, per la prima volta, di rilevare l'attività sinaptica nel cervello in vivo. Questa metodica rende finalmente possibile studiare i meccanismi cerebrali legati, ad esempio a un qualsivoglia comportamento animale o agli effetti di un trattamento farmacologico, immediatamente, in vivo. Il risultato è una sorta di fotografia in tempo reale all'interno del cervello dell'attività dei circuiti sinaptici e questo con una risoluzione altissima. Quello che oggi, grazie a questo lavoro, riusciamo a vedere assomiglia a un cielo stellato dove ogni stella indica una sinapsi del cervello e l'intensità luminosa il livello di attività di questa sinapsi.

Molta della letteratura scientifica che leggiamo oggi nel campo delle Neuroscienze Cognitive si basa su risultati ottenuti con tecniche di Brain Imaging, come la risonanza magnetica funzionale. Si tratta però di tecniche che riportano in modo indiretto e con una scarsa risoluzione temporale e spaziale l'attività neurale. Essenzialmente ci dicono se avvengono delle modifiche distrettuali del flusso sanguigno cerebrale, ma nella maggioranza dei casi, per la rapidità con cui avvengono i fenomeni neurali, l'analisi delle alterazioni del flusso sanguigno non è un parametro sufficientemente sensibile ed accurato.

Colorare i circuiti
L'idea “vincente” alla base del nostro metodo è stata quella di colorare l'interno delle vescicole sinaptiche nell'attimo in cui esse liberano il neurotrasmettitore. In questo modo i circuiti che si attivano diventano immediatamente visibili, con una intensità di colorazione che riflette il livello di attività del circuito sinaptico. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo disegnato a tavolino una molecola denominata SynaptoZip, composta da una proteina che normalmente si trova integrata nella membrana delle vescicole sinaptiche, cui abbiamo attaccato una proteina fluorescente e un'esca. Grazie ad essa l'attività dei circuiti sinaptici è “tracciata” con segnali luminosi che provengono dalle singole unità sinaptiche.
In questa ricerca abbiamo testato SynaptoZip nella corteccia visiva del modello murino, grazie all'effetto di una serie di impulsi luminosi applicati all'occhio dell'animale, ma anche sulla corteccia prefrontale, l'area decisionale per eccellenza. Qui abbiamo visto che l'attività di base sembra essere molto più elevata che in corteccia visiva – presumibilmente per tutte le operazioni cognitive che vengono svolte di continuo da questa regione corticale). Nella corteccia prefrontale abbiamo dimostrato anche la modulazione duratura causata da una singola iniezione di Ketamina (oggi utilizzata in clinica come antidepressivo ad azione rapida).
Al momento questa potentissima metodica non può essere applicata all'uomo ed il suo impiego è limitato allo studio delle basi neurali del comportamento animale. Essa non permette quindi di affrontare alcune funzioni complesse quali il linguaggio, il ragionamento astratto, ma anche alcune patologie che sono esclusive dell'uomo. Si può però immaginare che a breve questa ricerca aprirà allo sviluppo di metodi analoghi che utilizzino molecole già presenti nel nostro cervello e non richiedano modifiche di tipo genetico. Queste potrebbero essere facilmente applicate all'uomo e utilizzate per la diagnosi precoce di molteplici patologie neurologiche e psichiatriche che alterano le funzioni cerebrali oppure per verificare e migliorare gli effetti di molti trattamenti farmacologi.
Al disegno di questo ambizioso progetto aveva partecipato il caro amico e collega Riccardo Cortese, che purtroppo è venuto a mancare quest'anno e a cui tutto il nostro team dedica questo importante risultato.