The NeuroHab: A Low-Cost, Integrated System for Investigation of Neural Correlates of Behaviors

Immagina di cercare di capire come funziona il motore di un'auto ascoltando il motore mentre l'auto percorre una strada sconnessa. Hai bisogno di sapere esattamente quando il conducente ha premuto il pedale dell'acceleratore e esattamente quando il motore ha ruggito, tutto nello stesso momento. Nel mondo delle neuroscienze, gli scienziati stanno cercando di fare qualcosa di simile: vogliono osservare l'attività cerebrale di un topo mentre il topo impara un gioco o risolve un puzzle. Questo campo è chiamato neuroscienza comportamentale e si basa sul "condizionamento operante" — un modo sofisticato per dire "addestrare un animale a fare qualcosa per ottenere un premio".

Per far sì che questo funzioni, i ricercatori hanno bisogno che due cose accadano perfettamente insieme: una macchina che fornisca un premio al topo (come una goccia d'acqua o un pellet di cibo) quando compie l'azione corretta, e una telecamera o un sensore che registri ciò che sta accadendo all'interno del cervello del topo. Il problema è che le macchine utilizzate per addestrare i topi sono spesso costose, rigide e difficili da collegare all'attrezzatura di scansione cerebrale. È come cercare di collegare un controller per videogiochi da corsa ad alta tecnologia a una radio d'epoca; i componenti non parlano la stessa lingua e la sincronizzazione è errata. Se la tempistica è anche solo leggermente sbagliata, gli scienziati non possono dire se la reazione cerebrale sia avvenuta a causa del premio o per puro caso.

È qui che entra in gioco una nuova invenzione chiamata "NeuroHab". Pensatela come a un traduttore universale e un cronometro ultra-preciso racchiusi in una scatola economica. Il team dietro questo progetto, guidato dai ricercatori dell'Università del Wyoming, voleva costruire un sistema che fosse economico, facile da riparare e capace di comunicare con le macchine di scansione cerebrale senza alcun ritardo. Non volevano solo costruire una gabbia migliore per i topi; volevano costruire una gabbia che potesse "pensare" e "registrare" alla velocità della luce.

Il documento presenta NeuroHab, un sistema open-source a basso costo progettato per addestrare i topi e registrare il loro comportamento con una velocità incredibile. La scoperta principale è che questo sistema può registrare ogni singola azione compiuta da un topo — come una leccata, un tocco con il naso o un segnale sonoro — con un ritardo inferiore a un millesimo di secondo (specificamente, tra 56 e 728 microsecondi). Per dare un'idea, un battito di ciglia dura circa 300.000 microsecondi; NeuroHab è abbastanza veloce da catturare l'azione di un topo prima ancora che il topo si renda conto di averla terminata.

I ricercatori hanno costruito questo sistema utilizzando parti comuni e accessibili come i microchip Arduino ed ESP32, che sono gli stessi tipi di "cervelli" utilizzati nella robotica amatoriale e nei gadget per la casa intelligente. Il costo totale per costruire l'intera configurazione è di circa 1.400 dollari. Questo è un fatto enorme perché le versioni commerciali di macchine simili possono costare quasi 13.000 dollari. Rendendo il codice e i progetti accessibili a chiunque, il team spera di permettere a più scienziati di condurre esperimenti di alta qualità senza necessitare di un budget enorme.

Una delle caratteristiche più interessanti di NeuroHab è il modo in cui gestisce la tempistica. Il sistema utilizza un trucco ingegnoso in cui invia una serie di minuscoli impulsi elettrici (come il codice Morse) per comunicare alla macchina di registrazione esattamente cosa è successo e quando. Poiché questi impulsi sono così veloci e il sistema è così efficiente, l'attrezzatura di scansione cerebrale (come un microscopio a due fotoni in miniatura) può allineare il comportamento del topo con l'attività cerebrale perfettamente. Il documento mostra che, quando testato, la precisione temporale era sufficiente per vedere come le singole cellule cerebrali reagiscono a un evento specifico, come una goccia d'acqua che colpisce la lingua.

Il team ha anche testato quanto bene il sistema funzioni nel mondo reale. Hanno eseguito oltre 50 prove diverse e lo hanno utilizzato anche per sessioni di 16 ore in cui i topi potevano muoversi liberamente nelle loro gabbie. Il sistema non si è mai bloccato, non ha perso dati e poteva rilevare le leccate con un'accuratezza superiore al 96%. Hanno persino dimostrato che può lavorare insieme a un microscopio a due fotoni Mini, una telecamera ad alta tecnologia che scruta l'interno del cervello, provando che il comportamento del topo e i segnali cerebrali potevano essere sincronizzati fino al millisecondo.

Tuttavia, il documento specifica con cura ciò che questo sistema non fa. Non è progettato per registrare le onde elettriche continue del cervello (come un EEG); agisce invece come il direttore d'orchestra, inviando segnali precisi di "inizio" e "fine" ad altre macchine che svolgono il lavoro pesante. Ha anche alcuni limiti: se troppi eventi accadono esattamente nello stesso momento da fonti diverse, il sistema potrebbe confondersi, sebbene gli autori notino che ciò è raro negli esperimenti tipici. Menzionano anche che il sistema si affida a un tipo specifico di erogazione di liquidi che deve essere calibrata attentamente, altrimenti la quantità di acqua fornita potrebbe essere leggermente errata.

In breve, NeuroHab è un punto di svolta perché prende un problema complesso ed costoso e lo risolve con un design semplice, modulare ed economico. Dimostra che non è necessario un budget da un milione di dollari per ottenere dati precisi e ad alta velocità su come gli animali imparano e su come funzionano i loro cervelli. Rendendo pubblici i "progetti", gli autori invitano altri scienziati a costruire le proprie versioni, a modificarle e a usarle per svelare nuovi segreti sul cervello, il tutto senza svuotare il portafoglio.