Le molecole d’acqua possono decodificare i segreti dei neuroni?

Le molecole d'acqua possono decodificare i segreti dei neuroni? Medicina

Un team di ricercatori del Laboratory for fundamental BioPhotonics (LBP) della Scuola di Ingegneria dell’EPFL, in Svizzera, ha escogitato un modo per monitorare i cambiamenti dei potenziali di membrana e osservare i flussi di ioni studiando il comportamento delle molecole d’acqua che circondano la membrana stessa.

I neuroni sono cellule cerebrali che comunicano tra loro inviando segnali elettrochimici lungo gli assoni. Quando un neurone sta per rilasciare un segnale, sotto forma di carica elettrica, permette agli ioni di passare attraverso la sua membrana ed i canali ionici. Questo trasferimento di ioni crea una differenza di potenziale elettrico tra l’interno e l’esterno della cellula e tale differenza viene indicata come potenziale di membrana.

Fino ad ora, l’unico modo per monitorare i neuroni era iniettare fluorofori o attaccare elettrodi sulla parte del cervello oggetto di studio, ma i fluorofori possono essere tossici e gli elettrodi possono danneggiare i neuroni.

I ricercatori dell’LBP hanno sviluppato un modo per tenere traccia dei movimenti elettrici nei neuroni osservando le interazioni tra le molecole d’acqua e le membrane neurali. Sylvie Roke, direttore dell’LBP, lo ha spiegato così: “I neuroni sono circondati da molecole d’acqua, che cambiano orientamento in presenza di una carica elettrica. Quando il potenziale di membrana cambia, le molecole d’acqua si ri-orientano e quindi possiamo osservarlo”.

Una migliore comprensione dell’attività elettrica dei neuroni potrebbe fornire informazioni su una serie di processi che avvengono nel cervello umano. Ad esempio, gli scienziati potrebbero vedere se un neurone è attivo o a riposo, o se sta rispondendo al trattamento farmacologico.

Alterazione della membrana neuronale

Nel loro studio, i ricercatori hanno alterato il potenziale della membrana neuronale sottoponendo i neuroni ad un rapido afflusso di ioni di potassio. Ciò ha causato l’apertura dei canali ionici sulla superficie dei neuroni, che servono a regolare il potenziale della membrana, lasciandola passare attraverso gli ioni. I ricercatori hanno quindi spento il flusso di ioni ed i neuroni hanno rilasciato gli ioni che avevano raccolto.

Per monitorare questa attività, i ricercatori hanno sondato le membrane lipidiche neuronali idratate illuminando le cellule con due raggi laser della stessa frequenza, utilizzando una tecnologia che ha ottenuto il premio Nobel per il 2018 in fisica. Questi raggi consistono in impulsi laser a femtosecondi. Le molecole d’acqua sull’interfaccia della membrana generano fotoni con una frequenza diversa, nota come luce di seconda armonica.

Roke ha concluso dicendo che “vediamo implicazioni fondamentali e applicate della nostra ricerca. Non solo può aiutarci a capire i meccanismi che il cervello utilizza per inviare informazioni, ma potrebbe anche interessare le aziende farmaceutiche”.

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