Un nuovo impianto cerebrale wireless può manipolare le interazioni sociali nei topi.

Fonte: Northwestern University

I ricercatori della Northwestern University stanno costruendo legami sociali con fasci di luce.

Per la prima volta in assoluto, ingegneri e neurobiologi del Nordovest hanno programmato in modalità wireless – e poi deprogrammato – i topi per interagire socialmente tra loro in tempo reale. Il progresso è grazie a un dispositivo ultraminiaturizzato, wireless, senza batteria e completamente impiantabile primo nel suo genere che utilizza la luce per attivare i neuroni.

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 ricerca è stata pubblicata il 10 maggio sulla rivista  Nature Neuroscience.

La natura 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 dei topi e li facevano impigliare durante le interazioni sociali o in ambienti complessi.

“Con le tecnologie precedenti, non siamo stati in grado di osservare più animali che interagiscono socialmente in ambienti complessi perché erano legati”, ha detto il neurobiologo nordoccidentale Yevgenia Kozorovitskiy, che ha progettato l’esperimento.

“Le fibre si spezzerebbero o gli animali rimarrebbero impigliati. Per porre domande più complesse sul comportamento degli animali in ambienti realistici, avevamo bisogno di questa innovativa tecnologia wireless. È straordinario allontanarsi dalle catene.”

“Questo documento rappresenta la prima volta che siamo stati in grado di realizzare impianti per l’optogenetica wireless e senza batteria con controllo digitale completo e indipendente su più dispositivi contemporaneamente in un dato ambiente”, ha affermato il pioniere della bioelettronica della Northwestern John A. Rogers, che ha guidato il sviluppo tecnologico.

“L’attività cerebrale in un animale isolato è interessante, ma andare oltre la ricerca sugli individui per studiare gruppi complessi e socialmente interagenti è una delle frontiere più importanti ed emozionanti delle neuroscienze. 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”.

Kozorovitskiy è il professore di ricerca Soretta e Henry Shapiro di biologia molecolare e professore associato di neurobiologia al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. È anche membro del Chemistry of Life Processes Institute.

Rogers è il professore Louis Simpson e Kimberly Querrey di Scienza dei materiali e ingegneria, ingegneria biomedica e chirurgia neurologica presso la McCormick School of Engineering e la Feinberg School of Medicine della Northwestern University e il direttore del Querrey Simpson Institute for Bioelectronics.

Kozorovitskiy e Rogers hanno guidato il lavoro con Yonggang Huang, il professore Jan e Marcia Achenbach di ingegneria meccanica presso McCormick e Zhaoqian Xie, professore di meccanica ingegneristica presso la Dalian University of Technology in Cina. I primi autori del documento sono Yiyuan Yang, Mingzheng Wu e Abraham Vázquez-Guardado, tutti a Northwestern.

Promessa e problemi di optogenetica

Poiché il cervello umano è un sistema di quasi 100 miliardi di neuroni intrecciati, è estremamente difficile sondare singoli o addirittura gruppi di neuroni. Introdotta in modelli animali intorno al 2005, l’optogenetica offre il controllo di specifici neuroni 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 ancora approvato negli esseri umani.

“Sembra fantascienza, ma è una tecnica incredibilmente utile”, ha detto Kozorovitskiy. “L’optogenetica potrebbe presto essere utilizzata per correggere 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 secondo schemi flessibili all’interno di gruppi di animali che interagivano socialmente. I fili a fibre ottiche uscivano tipicamente dalla testa di un animale, collegandosi a una fonte di luce esterna. Quindi un programma software potrebbe essere utilizzato per spegnere e accendere la luce, monitorando il comportamento dell’animale.

“Mentre si muovono, le fibre vengono tirate in modi diversi”, ha detto Rogers. “Come previsto, questi effetti hanno cambiato i modelli di movimento dell’animale. Uno, quindi, deve chiedersi: quale comportamento stai effettivamente studiando? Stai studiando comportamenti naturali o comportamenti associati a un vincolo fisico? “

Controllo wireless in tempo reale

Leader di fama mondiale nella tecnologia wireless e indossabile, 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 wireless completamente impiantabile consente la ricerca ontogenetica in animali non legati con operazioni programmabili dinamicamente.
Credito: Northwestern University

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.

Attivazione delle connessioni sociali

Per stabilire la prova di principio per la tecnologia di Rogers, Kozorovitskiy e colleghi hanno progettato un esperimento per esplorare un approccio optogenetico alle interazioni sociali di controllo remoto tra coppie o gruppi di topi.

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 non pensavamo che avrebbe funzionato”, ha detto Kozorovitskiy. “A nostra conoscenza, questa è la prima valutazione diretta di un’importante ipotesi di vecchia data sulla sincronia neurale nel comportamento sociale”.

Finanziamento: lo studio, “Controllo in tempo reale nell’optogenetica multilaterale wireless per ampie applicazioni di neuroscienze”, è stato sostenuto dalla National Science Foundation, dal National Institutes of Health e da diverse fondazioni.

About this neurotech research news

Source: Northwestern University
Contact: Amanda Morris – Northwestern University
Image: The image is credited to Northwestern University

Original Research: Closed access.
Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors” by Yiyuan Yang, Mingzheng Wu, Abraham Vázquez-Guardado, Amy J. Wegener, Jose G. Grajales-Reyes, Yujun Deng, Taoyi Wang, Raudel Avila, Justin A. Moreno, Samuel Minkowicz, Vasin Dumrongprechachan, Jungyup Lee, Shuangyang Zhang, Alex A. Legaria, Yuhang Ma, Sunita Mehta, Daniel Franklin, Layne Hartman, Wubin Bai, Mengdi Han, Hangbo Zhao, Wei Lu, Yongjoon Yu, Xing Sheng, Anthony Banks, Xinge Yu, Zoe R. Donaldson, Robert W. Gereau IV, Cameron H. Good, Zhaoqian Xie, Yonggang Huang, Yevgenia Kozorovitskiy & John A. Roger. Nature Neuroscience


Abstract

Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors

Advanced technologies for controlled delivery of light to targeted locations in biological tissues are essential to neuroscience research that applies optogenetics in animal models.

Fully implantable, miniaturized devices with wireless control and power-harvesting strategies offer an appealing set of attributes in this context, particularly for studies that are incompatible with conventional fiber-optic approaches or battery-powered head stages. Limited programmable control and narrow options in illumination profiles constrain the use of existing devices.

The results reported here overcome these drawbacks via two platforms, both with real-time user programmability over multiple independent light sources, in head-mounted and back-mounted designs. Engineering studies of the optoelectronic and thermal properties of these systems define their capabilities and key design considerations.

Neuroscience applications demonstrate that induction of interbrain neuronal synchrony in the medial prefrontal cortex shapes social interaction within groups of mice, highlighting the power of real-time subject-specific programmability of the wireless optogenetic platforms introduced here.

FONTE

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