New ways to image and control nerve cells could unlock brain mysteries. / Nuovi modi di immaginare e controllare le cellule nervose potrebbero sbloccare misteri cerebrali.

New ways to image and control nerve cells could unlock brain mysteries. The procedure of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful in this application. / Nuovi modi di immaginare e controllare le cellule nervose potrebbero sbloccare misteri cerebrali. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questa applicazione.

Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa /    Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa

TINY REVEAL  A powerful new technique reveals tiny, message-receiving bumps that dot nerve cells’ surfaces (green), called dendritic spines, in a mouse brain. / Una nuova e potente tecnica rivela piccoli urti che ricevono messaggi che punteggiano le superfici delle cellule nervose (verdi), chiamate spine dendritiche, in un cervello di topo.

Using the methods to target neurons in mice and fruit fly brains may lead to insights

Using laser light, ballooning tissue and innovative genetic tricks, scientists are starting to force brainsto give up their secrets.
By mixing and matching powerful advances in microscopy and cell biology, researchers have imaged intricate details of individual nerve cells in fruit flies and mice, and even controlled small groups of nerve cells in living mice.
The techniques, published in two new studies, represent big steps forward for understanding how the brain operates, says molecular neuroscientist Hongkui Zeng of the Allen Institute for Brain Science in Seattle.
“Without this kind of technology, we were only able to look at the soup level,” in which diverse nerve cells, or neurons, are grouped and analyzed together, she says. But the new studies show that nerve cells can be studied individually. That zoomed-in approach will begin to uncover the tremendous diversity that’s known to exist among cells, says Zeng, who was not involved in the research.
“That is where the field is going. It’s very exciting to see that technologies are now enabling us to do that,” she says.
These novel abilities came from multiple tools. At Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus in Ashburn, Va., physicist Eric Betzig and his colleagues had developed a powerful microscope that can quickly peer deep into layers of brain tissue. Called a lattice light sheet microscope, the rig sweeps a thin sheet of laser light down through the brain, revealing cells’ structures. But like any microscope, it hits a wall when structures get really small, unable to resolve the most minute aspects of the scene.
A trick that expands the tissue like a balloon under the microscope solved that problem. The method, called expansion microscopy, makes tiny samples easier to see by infusing them with a gel that swells, says neuroscientist Edward Boyden, an HHMI investigator at MIT whose lab developed the technique. The gel preserves the tissue’s structure while also expanding it.
Turning the powerful lattice light sheet microscope on expanded fruit fly brains and sections of mice brains revealed features of individual nerve cells, the researchers report in the Jan. 18 Science. The team counted cell connections called synapses, saw how a fatty substance called myelin wrapped around nerve cells’ message-sending extensions and pinpointed all the nerve cells that produce the chemical messenger dopamine.

BLOWING UP Infusing a swellable gel into brain tissue expands the fruit fly brain to quadruple its normal size. The technique is giving scientists a clearer look at the nerve cells within (cells that produce the chemical messenger dopamine shown in green). / ESTRAZIONE L'infusione di un gel rigonfiabile nel tessuto cerebrale espande il cervello della mosca della frutta per quadruplicare le sue dimensioni normali. La tecnica sta dando agli scienziati uno sguardo più chiaro sulle cellule nervose all'interno (cellule che producono la dopamina chimica messaggero mostrata in verde).

R. GAO ET AL/SCIENCE 2019

Those meticulous views will allow more experiments, says Betzig, now an HHMI investigator at the University of California, Berkeley, such as studying whether synapses look different in certain diseases, or how myelin forms during development. “If you want to dive deep into any one of these areas, you can do it now,” he says.
Along with these new details on nerve cell anatomy come hints about some of these cells’ jobs. Karl Deisseroth, a psychiatrist and neuroscientist at Stanford University, and colleagues developed an advanced form of optogenetics, a technique that uses laser light to control genetically engineered nerve cells. With advances in microscopy and improvements to a protein that responds to laser stimulation, the researchers were able to monitor individual nerve cells’ behavior and activate them at will, changing the mice’s eating behavior. The results, described online January 16 in Nature, help to untangle cells involved in eating behavior and social experiences.
In the study, the researchers targeted nerve cells in mice’s orbitofrontal cortex, a stretch of tissue on the outer front surface of the brain. Because the cells involved in eating behavior and in social behavior are mixed together there, they’re not easy to study separately.
So Deisseroth’s team used genetic tricks to identify single nerve cells that are active as a mouse does a certain behavior — in this case, licking high-calorie water or interacting with another mouse. After identifying certain cells, the researchers then used laser light to prod the cells into action and watched for the resulting behavior. When the scientists stimulated a handful of the “eating” nerve cells, mice licked up more of the calorie-dense water. But when the team stimulated the social nerve cells, licking decreased, results that hint that social interactions can curb eating behavior.
Deisseroth and his colleagues first described the method for stimulating single nerve cells in 2012, but until now, hadn’t been able to use it to control behavior in a mammal. Advances in microscopy, including a special lens that sits atop the brain and focuses light in a particular way, allowed the researchers to stimulate nerve cells about three millimeters deep in the brain of a live mouse — the deepest single cell stimulation to date, the researchers report.
“Most of the mouse brain is deep and difficult to probe,” Deisseroth says. The new method “opens the door to versatile investigation of the entire mammalian brain,” he says.

ITALIANO

L'uso dei metodi per colpire i neuroni nei topi nei cervelli volanti può portare a intuizioni

Usando luce laser, tessuti in mongolfiera e innovativi trucchi genetici, i ricercatori stanno iniziando un costringere il cervello a rinunciare ai loro segreti.

Mescolando e abbinando i miei progressi della microscopia e della biologia cellulare, ho sperimentato dettagli intricati delle singole cellule nervose nei confronti dei moscerini della frutta e nei topi, e anche trattati piccoli gruppi di cellule nervose nei topi viventi.

L'istituto di Brain Science di Seattle. Il neuroscienziato molecolare di Hongkui Zeng dell'Allen Institute for Brain Science di Seattle.

"Senza questo tipo di tecnologia,  è solo possibile analizzare diverse cellule nervose, o neuroni, raggruppate e analizzate insieme, essa dice. Ma i nuovi studi dimostrano che le cellule nervose possono essere studiate individualmente. Questo approccio ingrandito è un problema che non è stato coinvolto nella ricerca.
"È molto eccitante vedere che le tecnologie ci consentono ora a farlo", afferma.
Queste nuove capacità sono testate da più strumenti. Presso il Janelia Research Campus dell'istituto Howard Hughes Medical Institute ad Ashburn, in Virginia, il fisico Eric Betzig ed i suoi colleghi hanno costruito un potente microscopio che può approfondire e scrutare in profondità strati di tessuto cerebrale. Chiamato un microscopio a luce bianca, l'impianto di perforazione è un sottile strato di luce laser, rivelando le strutture delle cellule. Ma se vieni qualsiasi microscopio, non mi sento più in grado di affrontare gli aspetti più minuti della scena.
Un trucco che espande il tessuto è un palloncino al microscopio che ha risolto il problema. Il metodo, chiamato microscopia di espansione, rende più facile vedere minuscoli esempi infondendoli con un gel che si gonfia, dice il neuroscienziato Edward Boyden, un investigatore HHMI al MIT il cui laboratorio ha sviluppato la tecnica. Il gel preserva la struttura del tessuto e nello stesso tempo lo espande.

Girando il potere microscopio a foglio sottile su cervelli volanti di moscerini da frutta e strati di cervelli di topi è possibile studiare le caratteristiche di singole cellule nervose, come i ricercatori riportano nell'articolo di Scienza del 18 gennaio. Il gruppo ha contato le connessioni cellulari chiamate sinapsi, ha visto come una sostanza grassa chiamata mielina avvolgesse le estensioni di invio di messaggi nervose e localizzasse tutte le cellule nervose che producono la dopamina chimica del messaggero.

Quelle visioni meticolose permetteranno ulteriori esperimenti, dice Betzig, ora ricercatore HHMI presso l'Università della California, a Berkeley, come studiare se le sinapsi hanno un aspetto diverso in certe malattie, o come la mielina si forma durante lo sviluppo. "Se vuoi immergerti in una di queste aree, puoi farlo ora", dice.
Insieme a questi nuovi dettagli sull'anatomia delle cellule nervose arrivano suggerimenti su alcuni dei lavori di queste cellule. Karl Deisseroth, psichiatra e neuroscienziato alla Stanford University, e colleghi hanno sviluppato una forma avanzata di optogenetica, una tecnica che utilizza la luce laser per controllare le cellule nervose ingegnerizzate geneticamente. Con i progressi della microscopia e il miglioramento di una proteina che risponde alla stimolazione laser, i ricercatori sono stati in grado di monitorare il comportamento delle singole cellule nervose e attivarle a loro piacimento, modificando il comportamento alimentare dei topi. I risultati, descritti online il 16 gennaio su Nature, aiutano a districare le cellule coinvolte nel comportamento alimentare e nelle esperienze sociali.
Nello studio, i ricercatori hanno preso di mira le cellule nervose nella corteccia orbitofrontale dei topi, una striscia di tessuto sulla superficie anteriore esterna del cervello. Poiché le cellule coinvolte nel comportamento alimentare e nel comportamento sociale sono mescolate insieme, non sono facili da studiare separatamente.
Quindi il gruppo di Deisseroth ha usato trucchi genetici per identificare le singole cellule nervose che sono attive come un topo esegue un determinato comportamento - in questo caso, leccando acqua ad alto contenuto calorico o interagendo con un altro topo. Dopo aver identificato alcune cellule, i ricercatori hanno quindi utilizzato la luce laser per spingere le cellule in azione e osservare il comportamento risultante. Quando gli scienziati hanno stimolato una manciata di cellule nervose "mangiabili", i topi hanno leccato più acqua densa di calorie. Ma quando il team ha stimolato le cellule nervose sociali, le leccate sono diminuite, i risultati suggeriscono che le interazioni sociali possono frenare il comportamento alimentare.
Deisseroth e i suoi colleghi hanno descritto per la prima volta il metodo per stimolare le singole cellule nervose nel 2012, ma fino ad ora non erano stati in grado di usarlo per controllare il comportamento in un mammifero. I progressi della microscopia, tra cui una lente speciale che si trova in cima al cervello e focalizza la luce in un modo particolare, ha permesso ai ricercatori di stimolare le cellule nervose a circa tre millimetri di profondità nel cervello di un topo vivo - la più profonda stimolazione a singola cellula fino ad oggi, i ricercatori affermano nel rapporto.

"La maggior parte del cervello del topo è profonda e difficile da sondare", dice Deisseroth. Il nuovo metodo "apre la porta a un'indagine versatile sull'intero cervello dei mammiferi", afferma.

Da:

https://www.sciencenews.org/article/new-ways-image-control-nerve-cells-unlock-brain-mysteries