Nei cento anni di storia della moderna neuroscienza il modo di esaminare il cervello si è evoluto con la disponibilità di tecnologie di indagine sempre più avanzate. I progressi nei modelli e nella produzione dei microscopi, insieme agli sviluppi delle tecniche di colorazione delle cellule, hanno permesso ai neuroscienziati
di osservare per la prima volta le cellule specializzate che costituiscono il sistema nervoso. I microscopi più potenti hanno mostrato anche i minimi dettagli delle cellule nervose, rivelando compartimenti distinti. Le tecniche più recenti ne svelano le connessioni, mettendo a nudo la complessa organizzazione del cervello.

Neuroni in mostra
Gli istologi del XIX secolo hanno ricavato le prime immagini delle cellule nervose da tessuti induriti chimicamente e poi immersi nel nitrato d’argento, colorando casualmente una modesta quantità di cellule per renderle visibili se esaminate con potenti microscopi luminosi. La tecnologia ha permesso di rivelare la forma del corpo cellulare e la sua rete di prolungamenti e ha consentito all’illustre anatomoneurologo Santiago Ramón y Cajal di provare che il sistema nervoso consiste di cellule. Il suo disegno nella pagina a fianco risale al 1899: vi si possono vedere le terminazioni delle cellule di Purkinje, grandi cellule situate nel cervelletto che svolgono un ruolo importante nel controllo del movimento.
I coloranti fluorescenti si possono ora iniettare direttamente nelle cellule per evidenziare quelle che il ricercatore vuole osservare. L’immagine in questa pagina mostra una cellula di Purkinje in rosso e una fibra nervosa di un’altra cellula in verde. Una sola cellula di Purkinje è collegata a centinaia di migliaia di queste fibre.


Elettroni luminosi
Sviluppati negli anni 1930, i microscopi elettronici illuminano i campioni di tessuti con fasci di elettroni invece che con la luce, incrementando al massimo la risoluzione in modo da poter distinguere le strutture più piccole. L’immagine sopra, di un’area del midollo allungato che elabora l’informazione uditiva, mostra un raggruppamento di connessioni di cellule nervose, ingrandite 23.900 volte. I piccoli, quasi indistinti, cerchi sono vescicole sinaptiche, che trasportano i segnali chimici tra le cellule.
Un nuovo sviluppo della microscopia elettronica, avvenuto negli anni 1980, permette di rivelare le strutture interne delle cellule nervose. I ricercatori utilizzano un detergente per rimuovere la membrana cellulare. Platino e carbonio sono depositati sulle superfici esposte per riprodurre le caratteristiche interne delle cellule come uno stampo tridimensionale, che viene poi esaminato al microscopio. L’immagine a destra mostra un neurone dell’ippocampo privo della sua membrana per rivelare il citoscheletro, vale a dire un’intricata rete che regola la crescita cellulare e il movimento.


Cellule splendenti
A metà degli anni 1990, i ricercatori cominciarono a seguire il percorso di particolari cellule in animali di laboratorio, modificando geneticamente gli organismi per incorporare proteine fluorescenti (a sinistra) trovate nelle specie marine. In 10 anni, queste proteine sono state introdotte nelle cellule nei modi più complessi, permettendo ai ricercatori di monitorare le reazioni biochimiche e di seguire le tracce dei movimenti delle proteine cellulari in tempo reale. Gli scienziati sono ora in grado di etichettare le cellule nervose con un caleidoscopio di colori. L’immagine sotto è di un topo transgenico, chiamato Brainbow, che è stato modificato in modo che diverse cellule nervose brillino in decine di tinte; la figura mostra l’ippocampo, un’area cerebrale cruciale per la memoria. Questa tecnologia, sviluppata nel 2007, ha rivelato le connessioni tra le cellule in maniera straordinariamente dettagliata.


La terza dimensione
Il microscopio laser confocale utilizza i raggi laser concentrati per scansionare i tessuti. Questo tipo di raggio riduce la dispersione del segnale luminoso dei microscopi tradizionali, producendo immagini più chiare e dettagliate. La luce riflessa direttamente da ogni punto viene impiegata per costruire un’immagine tridimensionale. Il neurone piramidale della corteccia di topo (a destra) è stato visualizzato grazie alla scansione del tessuto a diverse profondità, sovrapponendo successivamente la serie di immagini. Negli anni 1990, gli scienziati hanno ideato il microscopio a due fotoni, un sistema per ridurre ulteriormente la dispersione di luce. Questo approccio, che utilizza la luce infrarossa, può indagare più in profondità nel tessuto vivo, generando immagini come la sezione del cervelletto di un topo, visibile nella figura in alto.


Sulle tracce delle fibre
Negli anni 1980, gli scienziati hanno ideato tinte fluorescenti per esaminare i lunghi e sottili prolungamenti neuronali che trasportano l’informazione tra le cellule nervose. Iniettato direttamente nel cervello, il colorante viene incorporato nella membrana cellulare e trasportato al suo interno, rivelando il tracciato delle fibre nervose. L’immagine nella pagina a fronte evidenzia le connessioni a lunga distanza tra le aree sensoriali della corteccia cerebrale di un topo e il talamo, spesso definito come la stazione ripetitrice del cervello. Le fibre della corteccia visiva primaria sono mostrate in rosso, mentre le fibre della corteccia somatosensoriale primaria, che elabora le sensazioni corporee, appaiono verdi. Oggi, gli scienziati sono in grado di esaminare senza rischi queste connessioni nel cervello di un essere umano vivente utilizzando l’imaging del tensore di diffusione, una variazione dell’imaging a risonanza magnetica (MRI). Questa tecnologia, sviluppata negli anni 1990, deduce la posizione delle fibre nervose seguendo le tracce delle molecole d’acqua nei loro spostamenti nel cervello. L’immagine in alto mostra le fibre che si propagano dal talamo in un cervello umano.