SPOUT: An open-source hardware and software platform to study decision making while manipulating and recording from neural activity
Il documento presenta SPOUT, una piattaforma hardware e software open-source ed economica che integra la registrazione neurale precisa e la manipolazione optogenetica con compiti di decision-making flessibili per studiare i meccanismi neurali del comportamento in topi immobilizzati con restrizione della testa.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Per capire come un topo decida di girare a sinistra o a destra, gli scienziati devono fare molto di più che limitarsi a osservare l'animale. Devono essere in grado di vedere l'attività elettrica del cervello nell'esatto momento in cui viene presa una decisione, e devono poter stimolare delicatamente quell'attività per vedere cosa succede. Ciò richiede un equilibrio delicato: l'animale deve essere abbastanza immobile da permettere a microscopi ad alta potenza di vedere le singole cellule cerebrali, ma abbastanza libero di muovere la testa e la lingua per svolgere un compito. Per decenni, i ricercatori hanno faticato a costruire un sistema in grado di registrare il cervello, controllare il comportamento e somministrare segnali luminosi precisi al cervello, il tutto mantenendo una sincronizzazione perfetta. Se l'orologio che misura il comportamento devia anche solo leggermente dall'orologio che registra il cervello, la connessione tra azione e pensiero diventa impossibile da decifrare.
Un team della Harvard Medical School ha ora costruito un nuovo strumento per risolvere questo problema, creando un sistema completo e open-source chiamato SPOUT. Il nome sta per State-machine Platform for Operant Uni/dual-spout Tasks, ma in pratica è una macchina versatile che permette ai topi di risolvere enigmi decisionali mentre gli scienziati osservano i loro cervelli in tempo reale. Il sistema è progettato per essere economico e facile da usare, sostituendo costosi allestimenti personalizzati con una collezione di componenti standard che qualsiasi laboratorio può assemblare. Al suo cuore c'è un piccolo chip per computer che funge da direttore d'orchestra, coordinando la consegna dei premi di acqua, la registrazione dei movimenti della lingua e l'emissione di fasci di luce nel cervello, il tutto con una precisiono misurata in milioniotti di secondi.
I ricercatori hanno testato questo sistema insegnando ai topi un gioco semplice. Il topo siede con la testa tenuta ferma, di fronte a due piccoli tubi. Suona un segnale acustico e il topo deve scegliere se leccare il tubo di sinistra o quello di destra per ottenere una goccia d'acqua. Il trucco è che il suono non dice al topo quale sia il tubo giusto; invece, il tubo corretto cambia ogni pochi tentativi senza preavviso. Il topo deve capire il modello ricordando quale scelta ha portato a un premio e quale a nulla. Usando SPOUT, il team ha osservato i topi imparare questo gioco nel corso di molti giorni. All'inizio, i topi tiravano a indovinare casualmente, ma man mano che acquisivano esperienza, imparavano a cambiare scelta immediatamente dopo un errore e a mantenere il lato vincente. Il sistema registrava ogni singolo leccata con tale accuratezza che i ricercatori potevano vedere l'esatto momento in cui il comportamento del topo passava dalla confusione alla sicurezza.
Per dimostrare che il sistema potesse anche controllare il cervello, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata optogenetica, che permette di accendere o spegnere specifiche cellule cerebrali tramite la luce. Si sono concentrati su una regione del cervello chiamata corteccia motoria anteriore laterale, un'area nota per essere coinvolta nella pianificazione dei movimenti. Quando hanno proiettato una luce blu in questa parte del cervello proprio mentre il topo stava per compiere una scelta, il comportamento del topo è cambiato istantaneamente. Se la luce colpiva il lato del cervello che controlla il lato destro del corpo, il topo smetteva improvvisamente di leccare il tubo destro e iniziava a leccare quello sinistro. Questo accadeva solo quando la luce era accesa, e l'effetto svaniva non appena la luce veniva spenta, dimostrando che il sistema poteva interrompere precisamente il processo di pianificazione del cervello e osservare il disfacimento della decisione dell'animale in tempo reale.
I ricercatori hanno anche combinato questo allestimento con un potente microscopio per scattare foto delle cellule cerebrali mentre i topi giocavano al gioco. Poiché il sistema mantiene un tempo perfetto, sono stati in grado di far corrispondere l'esatto momento in cui un topo leccava un tubo con l'attività di migliaia di neuroni nel cervello. Hanno scoperto che quando un topo sceglieva di leccare sul lato opposto all'area cerebrale stimolata, le cellule cerebrali si attivavano molto più intensamente rispetto a quando il topo sceglieva lo stesso lato. Ciò ha confermato che queste specifiche cellule cerebrali sono più attive quando l'animale si prepara a muoversi in una particolare direzione. La capacità del sistema di sincronizzare il comportamento, la stimolazione luminosa e l'imaging cerebrale con tale precisione ha permesso al team di vedere chiaramente questi schemi, cosa che sarebbe stata impossibile con attrezzature meno sincronizzate e più vecchie.
Ciò che rende questo lavoro particolarmente significativo non è solo la scoperta sul cervello dei topi, ma lo strumento stesso. I ricercatori hanno reso disponibili gratuitamente a tutti i progetti, il codice e le istruzioni per costruire SPOUT. Hanno dimostrato che un esperimento neuroscientifico complesso e di alta precisione non richiede decine di migliaia di dollari o un team di ingegneri per essere costruito. Utilizzando un microcontrollore standard e componenti acquistabili sul mercato, hanno creato una piattaforma abbastanza robusta da funzionare per migliaia di sessioni senza rompersi. Il sistema è progettato per essere flessibile, consentendo agli scienziati di cambiare le regole del gioco o il tipo di registrazione cerebrale senza dover riscrivere il software sottostante. Questa apertura significa che i laboratori di tutto il mondo possono ora eseguire gli stessi esperimenti con lo stesso livello di precisione, rendendo più facile confrontare i risultati e costruire una comprensione condivisa di come il cervello prenda le decisioni.
Lo studio conclude che SPOUT è un modo affidabile e accessibile per studiare il legame tra attività cerebrale e comportamento. Ha dimostrato con successo che i topi possono apprendere regole complesse basate su premi passati, che regioni cerebrali specifiche possono essere temporaneamente silenziate per alterare tali decisioni, e che l'attività neurale risultante può essere registrata con alta fedeltà. I ricercatori non hanno sostenuto di aver risolto il mistero del processo decisionale, ma hanno fornito un modo chiaro e riproducibile per porre la domanda. Rimuovendo le barriere tecniche che hanno impedito a molti laboratori di svolgere questo tipo di lavoro, il team ha aperto la porta a una comunità più ampia di scienziati per esplorare come il cervello guidi l'azione, un preciso leccata alla volta.
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