Il cervello e il tratto digestivo sono in costante comunicazione, trasmettendo segnali che aiutano a controllare l’alimentazione e altri comportamenti. Questa vasta rete di comunicazione influenza anche il nostro stato mentale ed è stata implicata in molti disturbi neurologici.
Gli ingegneri del MIT hanno ora progettato una nuova tecnologia che può essere utilizzata per sondare tali connessioni. Usando fibre incorporate con una varietà di sensori, così come fonti di luce per la stimolazione optogenetica, i ricercatori hanno dimostrato di poter controllare i circuiti neurali che collegano l’intestino e il cervello, nei topi.
In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che potrebbero indurre sentimenti di pienezza o comportamenti di ricerca della ricompensa nei topi manipolando le cellule dell’intestino. Nel lavoro futuro, sperano di esplorare alcune delle correlazioni che sono state osservate tra la salute dell’apparato digerente e le condizioni neurologiche come l’autismo e il morbo di Parkinson.
“La cosa eccitante qui è che ora disponiamo di una tecnologia in grado di guidare la funzione intestinale e comportamenti come l’alimentazione. Ancora più importante, abbiamo la capacità di iniziare ad accedere alla diafonia tra l’intestino e il cervello con la precisione al millisecondo dell’optogenetica e possiamo farlo nel comportamento degli animali”, afferma Polina Anikeeva, professoressa di scienza e ingegneria dei materiali di Matoula S. Salapatas, professoressa di scienze del cervello e cognitive, direttrice associata del laboratorio di ricerca di elettronica del MIT e membro del McGovern Institute for Brain Research del MIT .
Anikeeva è l’autore senior del nuovo studio, che appare oggi in Biotecnologie naturali. Gli autori principali del documento sono la studentessa laureata del MIT Atharva Sahasrabudhe, la postdoc della Duke University Laura Rupprecht, la postdoc del MIT Sirma Orguc e l’ex postdoc del MIT Tural Khudiyev.
La connessione cervello-corpo
L’anno scorso, il McGovern Institute ha lanciato il K. Lisa Yang Brain-Body Center per studiare l’interazione tra il cervello e altri organi del corpo. La ricerca al centro si concentra sull’illuminazione di come queste interazioni aiutino a modellare il comportamento e la salute generale, con l’obiettivo di sviluppare terapie future per una varietà di malattie.
“C’è una diafonia continua e bidirezionale tra il corpo e il cervello”, dice Anikeeva. “Per molto tempo, abbiamo pensato che il cervello fosse un tiranno che invia output agli organi e controlla tutto. Ma ora sappiamo che c’è un sacco di feedback nel cervello, e questo feedback controlla potenzialmente alcune delle funzioni che noi hanno precedentemente attribuito esclusivamente al controllo neurale centrale.”
Anikeeva, che dirige il nuovo centro, era interessata a sondare i segnali che passano tra il cervello e il sistema nervoso dell’intestino, chiamato anche sistema nervoso enterico. Le cellule sensoriali nell’intestino influenzano la fame e la sazietà attraverso la comunicazione neuronale e il rilascio di ormoni.
Districare quegli effetti ormonali e neurali è stato difficile perché non c’era un buon modo per misurare rapidamente i segnali neuronali, che si verificano in millisecondi.
“Per essere in grado di eseguire l’optogenetica intestinale e quindi misurare gli effetti sulla funzione e sul comportamento del cervello, che richiede una precisione al millisecondo, avevamo bisogno di un dispositivo che non esisteva. Quindi, abbiamo deciso di realizzarlo”, afferma Sahasrabudhe, che ha guidato lo sviluppo delle sonde intestinali e cerebrali.
L’interfaccia elettronica progettata dai ricercatori è costituita da fibre flessibili che possono svolgere una varietà di funzioni e possono essere inserite negli organi di interesse. Per creare le fibre, Sahasrabudhe ha utilizzato una tecnica chiamata disegno termico, che gli ha permesso di creare filamenti polimerici, sottili quanto un capello umano, che possono essere incorporati con elettrodi e sensori di temperatura.
I filamenti trasportano anche dispositivi a emissione di luce su microscala che possono essere utilizzati per stimolare optogeneticamente le cellule e canali microfluidici che possono essere utilizzati per somministrare farmaci.
Le proprietà meccaniche delle fibre possono essere personalizzate per l’uso in diverse parti del corpo. Per il cervello, i ricercatori hanno creato fibre più rigide che potrebbero essere infilate in profondità nel cervello. Per organi digestivi come l’intestino, hanno progettato fibre gommose più delicate che non danneggiano il rivestimento degli organi ma sono comunque abbastanza robuste da resistere all’ambiente ostile del tratto digestivo.
“Per studiare l’interazione tra il cervello e il corpo, è necessario sviluppare tecnologie in grado di interfacciarsi con gli organi di interesse e allo stesso tempo con il cervello, registrando segnali fisiologici con un elevato rapporto segnale-rumore”, Sahasrabudhe dice. “Dobbiamo anche essere in grado di stimolare selettivamente diversi tipi di cellule in entrambi gli organi nei topi in modo da poter testare i loro comportamenti ed eseguire analisi causali di questi circuiti”.
Le fibre sono inoltre progettate in modo da poter essere controllate in modalità wireless, utilizzando un circuito di controllo esterno che può essere temporaneamente fissato all’animale durante un esperimento. Questo circuito di controllo wireless è stato sviluppato da Orguc, uno Schmidt Science Fellow, e Harrison Allen ’20, MEng ’22, che sono stati co-consulenti tra il laboratorio Anikeeva e il laboratorio di Anantha Chandrakasan, decano della School of Engineering del MIT e Vannevar Bush Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica.
Comportamento alla guida
Utilizzando questa interfaccia, i ricercatori hanno eseguito una serie di esperimenti per dimostrare che potevano influenzare il comportamento attraverso la manipolazione dell’intestino e del cervello.
In primo luogo, hanno utilizzato le fibre per fornire una stimolazione optogenetica a una parte del cervello chiamata area tegmentale ventrale (VTA), che rilascia dopamina. Hanno messo i topi in una gabbia con tre camere e quando i topi sono entrati in una particolare camera, i ricercatori hanno attivato i neuroni della dopamina. L’esplosione di dopamina risultante ha reso più probabile che i topi tornassero in quella camera alla ricerca della ricompensa della dopamina.
Quindi, i ricercatori hanno cercato di vedere se potevano anche indurre quel comportamento di ricerca della ricompensa influenzando l’intestino. Per fare ciò, hanno usato le fibre nell’intestino per rilasciare saccarosio, che ha anche attivato il rilascio di dopamina nel cervello e ha spinto gli animali a cercare la camera in cui si trovavano quando è stato somministrato il saccarosio.
Successivamente, lavorando con i colleghi della Duke University, i ricercatori hanno scoperto di poter indurre lo stesso comportamento di ricerca della ricompensa saltando il saccarosio e stimolando optogeneticamente le terminazioni nervose nell’intestino che forniscono input al nervo vago, che controlla la digestione e altre funzioni corporee.
“Ancora una volta, abbiamo ottenuto questo comportamento di preferenza del luogo che le persone hanno visto in precedenza con la stimolazione nel cervello, ma ora non stiamo toccando il cervello. Stiamo solo stimolando l’intestino e stiamo osservando il controllo della funzione centrale dalla periferia”, Anikeeva dice.
Sahasrabudhe ha lavorato a stretto contatto con Rupprecht, un postdoc nel gruppo del professor Diego Bohorquez alla Duke, per testare la capacità delle fibre di controllare i comportamenti alimentari. Hanno scoperto che i dispositivi potrebbero stimolare optogeneticamente le cellule che producono colecistochinina, un ormone che promuove la sazietà. Quando questo rilascio di ormoni è stato attivato, l’appetito degli animali è stato soppresso, anche se avevano digiunato per diverse ore. I ricercatori hanno anche dimostrato un effetto simile quando hanno stimolato le cellule che producono un peptide chiamato PYY, che normalmente frena l’appetito dopo aver consumato cibi molto ricchi.
I ricercatori hanno ora in programma di utilizzare questa interfaccia per studiare le condizioni neurologiche che si ritiene abbiano una connessione intestino-cervello. Ad esempio, gli studi hanno dimostrato che i bambini con autismo hanno molte più probabilità rispetto ai loro coetanei di ricevere una diagnosi di disfunzione gastrointestinale, mentre l’ansia e la sindrome dell’intestino irritabile condividono rischi genetici.
“Ora possiamo iniziare a chiederci, sono coincidenze o esiste una connessione tra l’intestino e il cervello? E forse c’è un’opportunità per noi di attingere a quei circuiti intestino-cervello per iniziare a gestire alcune di quelle condizioni manipolando la periferia circuiti in un modo che non “tocchi” direttamente il cervello ed è meno invasivo”, afferma Anikeeva.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
