Computational aberration-corrected volumetric imaging of single retinal cell dynamics in the living eye
Questo articolo introduce la plenoptic illumination scanning laser ophthalmoscopy (PI-SLO), una modalità di imaging 3D a campo largo e alta velocità che supera le aberrazioni oculari per consentire l'imaging volumetrico non invasivo a risoluzione di singola cellula della dinamica retinica in occhi vivi.
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
L'occhio umano è molto più di una semplice finestra per vedere il mondo; è l'unica parte del sistema nervoso centrale in cui i medici possono guardare direttamente senza ricorrere alla chirurgia. All'interno di questa piccola sfera trasparente si trova la retina, un sottile strato di tessuto densamente popolato da neuroni, vasi sanguigni e cellule immunitarie che lavorano insieme per elaborare la luce. Poiché queste cellule sono così piccole e ammassate strettamente, studiare come si muovono e comunicano tra loro in un animale vivente è stato incredibilmente difficile. Le telecamere tradizionali faticano a vedere in profondità all'interno dell'occhio perché la lente stessa dell'occhio è imperfetta, sfocando l'immagine, mentre i microscopi potenti che possono vedere le singole cellule spesso richiedono una chirurgia invasiva o sono così lenti da perdere gli eventi biologici rapidi. Gli scienziati desideravano da tempo un modo per osservare come queste minuscole conversazioni cellulari avvengano in tempo reale, su un'ampia area, senza danneggiare il delicato tessuto.
Un team di ricercatori della Johns Hopkins University ha sviluppato un nuovo modo per fare esattamente questo. Hanno creato un sistema di imaging specializzato che agisce come una telecamera tridimensionale ad alta velocità per l'occhio vivente. Invece di fare affidamento su hardware complessi per correggere fisicamente la visione sfocata dell'occhio, il loro sistema utilizza un astuto trucco con la luce e l'elaborazione computerizzata. Il dispositivo proietta luce nell'occhio da molte angolazioni leggermente diverse in rapida successione. Mentre la luce colpisce la retina, eccita le cellule luminose e un sensore raccoglie la luce che rimbalza. Poiché la luce entra da direzioni diverse, la posizione di ogni cella luminosa si sposta leggermente nelle immagini catturate, proprio come un albero sembra muoversi quando si cammina accanto ad esso. Catturando questi spostamenti da decine di angolazioni in meno di un secondo, i ricercatori possono usare un computer per capire esattamente dove si trova ogni cellula nello spazio tridimensionale, rimuovendo efficacementamente la sfocatura causata dalle imperfezioni dell'occhio.
Utilizzando questo metodo, chiamato oftalmoscopia a scansione a illuminazione plenottica, il team è stato in grado di osservare la retina di un topo vivente con un dettaglio senza precedenti. Si sono concentrati su tre aree chiave: le cellule immunitarie che pattugliano l'occhio, i vasi sanguigni che lo nutrono e i neuroni che elaborano i segnali visivi. Nel primo set di esperimenti, hanno tracciato i movimenti di circa cento cellule immunitarie durante un periodo di tredici minuti. Hanno scoperto che queste cellule non sono tutte uguali; quelle vicino alla superficie della retina si muovevano molto più attivamente di quelle sepolte più in profondamente nel tessuto. Ciò suggerisce che diversi strati della retina abbiano diversi tipi di attività immunitaria, un dettaglio che era precedentemente impossibile vedere chiaramente su un'area così vasta. Il sistema ha catturato questi movimenti a una velocità di oltre ventitré volumi 3D completi al secondo, permettendo ai ricercatori di vedere le cellule che estendono e ritraggono i loro minuscoli rami in tempo reale.
I ricercatori hanno anche utilizzato il sistema per mappare il flusso sanguigno attraverso i tre distinti strati di vasi della retina. Iniettando un colorante fluorescente innocuo nel flusso sanguigno, sono riusciti a osservare i singoli globuli rossi sfrecciare attraverso i capillari. La tecnologia ha permesso loro di vedere non solo i principali strati orizzontali di vasi sanguigni, ma anche le minuscole connessioni verticali che si immergono tra questi strati, solitamente nascoste alla vista. Hanno misurato la velocità del flusso sanguigno in questi piccoli vasi, scoprendo che alcuni si muovevano a 0,68 millimetri al secondo mentre altri erano molto più lenti a 0,12 millimetri al secondo. Questa capacità di misurare il flusso in tutta la rete contemporaneamente fornisce un quadro completo di come l'occhio sia rifornito di ossigeno, il che è cruciale per comprendere malattie come il diabete e il glaucoma.
Forse in modo ancora più significativo, il team ha dimostrato di poter osservare l'attività elettrica del cervello nell'occhio senza interrompere il movimento dell'animale o utilizzare sonde invasive. Hanno usato un virus per far sì che specifici neuroni brillassero quando diventavano attivi, poi hanno stimolato l'occhio del topo con un lampo di luce ultravioletta. Il sistema ha catturato i risultanti segnali di calcio — marcatori chimici dell'attività neurale — in due diversi strati di neuroni simultaneamente. Hanno visto che i singoli neuroni rispondevano diversamente alla luce, con alcuni che scattavano immediatamente e altri che aspettavano, e hanno persino visto che parti diverse dello stesso neurone potevano reagire in modi opposti. Questo livello di dettaglio, che copre un'ampia area della retina e avviene in tempo reale, conferma che l'occhio può servire come una potente finestra nel sistema nervoso centrale. Il metodo richiede livelli di luce molto bassi, riducendo il rischio di danneggiare l'occhio, e funziona senza l'hardware ingombrante ed costoso che ha limitato i precedenti tentativi. Trasformando l'occhio in un cinema tridimensionale ad alta velocità per la vita cellulare, questo approccio apre una nuova strada per studiare come funziona il cervello e come le malattie lo disturbano.
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