RICERCA ITALIANA     

Misura simultanea di attività elettrica di singoli neuroni in rete intatta

Università degli Studi di Firenze

Abstract

Uno dei problemi principali nel capire le funzioni del sistema nervoso centrale è studiare le attività multiple del singolo neurone. In linea di principio, se si potesse registrare da tutti i neuroni in una rete addetta ad un dato comportamento, sarebbe possibile ricostruire le relative computazioni. Attualmente, questo non è possibile con tecniche convenzionali poiché più precisa è la registrazione su di un neurone (per esempio con il patch-clamp) più limitati sono il numero di neuroni simultaneamente registrabili. D'altro canto, le registrazioni globali (per esempio registrazioni di campo) raccolgono l'attività da molti neuroni ma non dicono molto riguardo al calcolo a livello di singolo neurone. Un altro problema è che l'attività dei neuroni nel cervello è governata dalle regole probabilistiche ed i meccanismi di un neurone sono quindi di natura stocastica. Di conseguenza, per interpretare il codice del circuito, si deve capire la base di calcolo del singolo neurone e, allo stesso tempo, registrare multipli neuroni simultaneamente. Per affrontare questo problema, abbiamo ideato la seguente trategia. In primo luogo abbiamo selezionato un circuito neuronale, lo strato granulare del cervelletto, che è particolarmente adatto a questa ricerca grazie alle dettagliate informazioni disponibili a livello cellulare ed allo sviluppo delle teorie per il calcolo della rete. La rete cerebellare è composta da neuroni, le cellule granulari (GrC), che sono attivate dalle >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Francesco Saverio Pavone Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

In questo progetto ci proponiamo di studiare in situ le basi cellulari dell'attività neuronale della rete cerebellare. I circuiti neuronali elaborano un codice distribuito che è influenzato da variabilità a diversi passaggi e dall'elaborazione inibitoria. L'analisi di scarica di un neurone e del relativo controllo inibitorio è quindi cruciale. Comunque questo non è sufficiente, poiché l'analisi dettagliata dei meccanismi di attivazione è solitamente investigabile in uno o in pochi neuroni, mentre la comprensione dei meccanismi di funzionamento della rete neuronale richiede la registrazione simultanea su molti neuroni. In questo progetto vogliamo unire i vantaggi dell'SHG con uno schema di eccitazione “random access” realizzando un nuovo microscopio (RA-SHG) capace di registrare otticamente e in più punti variazioni veloci (1 ms) del Vm in una configurazione a largo campo visivo (dell’ordine di 150×150 um) e con una alta profondità di penetrazione (più di 100 um) nel tessuto. Questo innovativo microscopio verrà utilizzato per studiare le dinamiche della reta cerebellare. Effettueremo inoltre registrazioni in patch-clamp su fettine cerebellari per fornire le basi per interpretare le registrazioni multiple in SHG.
Le registrazioni ottiche simultanee dell'attività multipla neuronale consentiranno di aggirare le intrinseche proprietà indeterministiche nell'elaborazione neurale e quindi le limitazioni imposte delle tecniche convenzionali >>>

Risultati parziali attesi

In questo progetto di ricerca svilupperemo una nuova tecnica basata sulla microscopia a generazione di seconda armonica (SHG), per misurare simultaneamente le attività multiple di singoli neuroni. L'SHG è una tecnica ottica che consente la registrazione di potenziale elettrici di membrana (Vm) e la discriminazione di singoli "spike" in neuroni. In questo progetto vogliamo unire i vantaggi dell'SHG con uno schema di eccitazione "random-access" realizzando un nuovo microscopio (RA-SHG) capace di registrare otticamente e in più punti simultanemente variazioni veloci (1 ms) del Vm in una configurazione a largo campo visivo (~150×150 um) e con una elevata profondità di penetrazione (più di 100 um) nel tessuto. Questo innovativo prototipo verrà utilizzato per investigare l'aspetto cruciale del circuito computazionale nello strato granulare in fettine acute cerebellari di ratto. In dettaglio applicheremo la microscopia RA-SHG per (i) investigare la problematica della "sparse coding" nello strato granulare, (ii) per eseguire una registrazione diretta delle attività oscillatorie "theta-frequency", (iii) per verificare l'ipotesi della "spatial pattern separation" e (iv) stabilire i rapporti spazio-temporali tra le GrCs, le GoCs, le pc ed altri neuroni cerebellari durante i vari protocolli di attivazione delle mf e dopo induzione di plasticità sinaptica.

L'interpretazione dei risultati sarà basata >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il sistema nervoso è in grado di processare, immagazzinare e imparare un'enorme quantita di informazioni, che vengono codificate in termini di segnali elettrici chiamati potenziali d'azione (spikes) e trasmessi tra neuroni attraverso le sinapsi. I meccanismi di codifica e apprendimento dei segnali sono tuttora oggetto di discussione. In termini biofisici, la domanda principale è come semplici operazioni a livello neuronale possano generare funzioni cognitive superiori e forme complesse di memorie come quelle degli animali o degli esseri umani. Se si potesse registrare simultaneamente da tutti i neuroni coinvolti in un determinata forma di comportamento, sarebbe possibile ricostruire il relativo processo di computazione. Purtroppo con le attuali conoscenze tecnologiche questo non è possibile per diversi motivi. In primo luogo, un'alta precisione nelle registrazioni dai singoli neuroni (es. con la tecnica del patch-clamp) limita il numero stesso dei neuroni da cui registrare. Al contrario, registrazioni su scala più ampia (es. registrazioni di potenziali di campo), descrivono l'attività di gruppi di neuroni, ma non danno molte informazioni riguardo le operazioni compiute a livello dei singoli neuroni. In secondo luogo, l'attività dei neuroni nel cervello è governata da regole probabilistiche e e imeccanismi neuronali sono di natura stocastica. Molti neuroni devono pertanto essere registrati simultaneamente e ripetutamente e la loro reciproca attivit >>>