Mappatura cerebrale ad alta risoluzione a portata di mano grazie alla luce a raggi X

"Il cervello è uno dei sistemi biologici più complessi al mondo", spiega Adrian Wanner, responsabile del gruppo di ricerca di neurobiologia strutturale dell'Istituto Paul Scherrer PSI. Il suo gruppo studia il modo in cui i neuroni sono interconnessi: un'area nota come connettomica.

Spiega: "Prendiamo il fegato: conosciamo circa 40 tipi di cellule. Sappiamo come sono disposte. Conosciamo le loro rispettive funzioni. Questo non è il caso del cervello. Quindi ci si può chiedere: qual è la differenza tra il cervello e il fegato? Se osserviamo un corpo cellulare nel cervello e nel fegato, non è facile distinguerli. Entrambi hanno un nucleo cellulare, un reticolo endoplasmatico - entrambi hanno gli stessi macchinari intercellulari, le stesse molecole, gli stessi tipi di proteine. Non è questa la differenza. Ciò che li distingue veramente è l'organizzazione delle cellule cerebrali e la loro connessione reciproca.

In cifre: in un millimetro cubo di tessuto cerebrale ci sono circa 100.000 neuroni, collegati tra loro da circa 700 milioni di sinapsi e quattro chilometri di "cablaggio".

Il modo in cui questi neuroni sono collegati dalle sinapsi determina il funzionamento del cervello. È associato a malattie come l'Alzheimer. Tuttavia, la complessità spaziale di questa interconnessione è molto difficile da analizzare. "Se si prende una rete neuronale di diciassette neuroni, ci sono più modi per collegarli di quanti atomi ci siano nell'universo", dice Wanner. "Quindi non si può semplicemente modellare. Dobbiamo misurarla".

A fronte di questo immenso problema, Wanner e i suoi colleghi della Swiss Light Source SLS - in collaborazione con il Francis Crick Institute nel Regno Unito - hanno ora raggiunto un significativo progresso tecnico.

La luce dei raggi X guarda all'ultrastruttura

Attualmente, la microscopia elettronica volumetrica è la tecnica di imaging preferita per questo compito. Poiché gli elettroni penetrano solo in superficie, i campioni di tessuto cerebrale di un millimetro cubo devono essere suddivisi in decine di migliaia di sezioni sottilissime. Queste vengono poi fotografate singolarmente e riassemblate computazionalmente per visualizzare la connessione spaziale dei neuroni attraverso le fette: un processo molto soggetto a errori che porta inevitabilmente a una perdita di informazioni.

La soluzione è ora rappresentata dalla luce a raggi X. Può penetrare a una profondità di millimetri o addirittura di centimetri e quindi, in linea di principio, mostrare interi blocchi di tessuto senza tagliarli.

Presso la linea di fascio SLS per lo scattering coerente di raggi X a piccolo angolo, o in breve cSAXS, i raggi X ad alta brillanza sono già stati utilizzati per immaginare chip di computer con una risoluzione di soli quattro nanometri - un record mondiale. "Tuttavia, il problema dei tessuti biologici è il contrasto", spiega Ana Diaz, scienziata di cSAXS. "I chip dei computer sono fatti di fili di rame, che naturalmente hanno un elevato contrasto con il materiale circostante. Tuttavia, se vogliamo osservare gli elementi costitutivi della vita - proteine, lipidi e così via - sullo sfondo di una matrice costituita principalmente da acqua, l'interazione dei raggi X è molto debole. Questo rende più difficile ottenere un'alta risoluzione".

Per superare questo problema, i ricercatori utilizzano metalli pesanti nel tessuto cerebrale per aumentare il contrasto. Tuttavia, questi assorbono i raggi X, il che porta a un altro problema: Il campione si deforma. Sebbene i materiali di rivestimento possano stabilizzare il campione, si deformano anche alla luce dei raggi X, creando bolle e distruggendo così la fine ultrastruttura del tessuto cerebrale.

Una resina proveniente dall'industria aerospaziale

Per risolvere questo problema, Wanner, Diaz e colleghi hanno sviluppato un nuovo approccio. La loro innovazione chiave è una resina epossidica in grado di penetrare nei tessuti biologici e con un'eccezionale tolleranza alle radiazioni, un materiale normalmente utilizzato nel settore aerospaziale, nell'industria nucleare e negli acceleratori di particelle.

Inoltre, un tavolo appositamente progettato consente di raffreddare i campioni a meno 178 gradi Celsius con azoto liquido durante la fluoroscopia. Infine, le deformazioni minori che ancora si verificano vengono eliminate con un algoritmo di ricostruzione.

Con questo approccio, i ricercatori sono riusciti a esaminare campioni di tessuto del cervello di un topo con uno spessore fino a dieci micrometri e a raggiungere una risoluzione spaziale di trentotto nanometri. "Per quanto ne sappiamo, questa risoluzione rappresenta un record per l'imaging a raggi X di un tessuto biologico esteso", spiega Diaz.

Con una tale risoluzione, è stato possibile determinare in modo affidabile le sinapsi e altre caratteristiche dei neuroni e delle loro connessioni, come gli assoni e i dendriti. "Non si tratta di informazioni rivoluzionarie sul cervello: corrispondono ai risultati della microscopia elettronica volumetrica di ultima generazione, l'attuale gold standard", aggiunge Wanner. "È emozionante perché siamo solo all'inizio".

La radiazione coerente dei raggi X riceve un nuovo impulso dal potenziamento dell'SLS

Un pezzo di tessuto cerebrale dello spessore di dieci micrometri può sembrare minuscolo, ma è già di ordini di grandezza superiore ai campioni in sezione che vengono esaminati con il microscopio elettronico. Le dimensioni del campione sono attualmente ancora limitate dal tempo necessario per la registrazione. Possono essere necessari giorni per raccogliere dati sufficienti a ricostruire un'immagine ad alta risoluzione. Questo collo di bottiglia è legato ai raggi X.

La tecnica di imaging utilizzata dai ricercatori, nota come ptychography, non utilizza lenti, ma si basa su raggi X coerenti. "La coerenza è esattamente ciò che otterremo potenziando l'SLS", spiega Diaz.

L'SLS ha appena completato un importante aggiornamento a un sincrotrone di quarta generazione, che lo rende uno dei sincrotroni più avanzati al mondo. Grazie ai miglioramenti tecnici, gli esperimenti di ditografia presso la linea di fascio cSAXS beneficeranno di un flusso di raggi X coerenti fino a cento volte superiore.

"Se un numero cento volte maggiore di fotoni a raggi X al secondo colpisce il nostro campione, possiamo - in linea di principio - immaginare il campione cento volte più velocemente o visualizzare volumi cento volte più grandi", spiega Diaz. "In pratica, dovremo imparare a farlo in modo efficiente. Ma il potenziale c'è".

La pubblicazione dello studio coincide con un'importante pietra miliare della linea di fascio. Nel luglio 2025 sono stati misurati i primi raggi X dopo l'aggiornamento del cSAXS. Ora che sono stati superati gli ostacoli tecnici per l'uso della ptiocografia a raggi X nell'imaging biologico, la strada è libera per esaminare campioni molto più grandi di tessuto cerebrale in 3D ad alta risoluzione.