Nell’articolo di oggi vedremo come un sempllice Arduino UNO possa essere utilizzato per la sincronizzazione di un laboratorio di neuroscienze.

I metodi di ricerca più comuni per studiare il sistema visivo in laboratorio includono la registrazione e il monitoraggio dell’attività neurale in presenza di stimoli sensoriali, per aiutare gli scienziati a studiare come i neuroni codificano e rispondono, ad esempio, a specifici input visivi.

Uno dei maggiori problemi tecnici nelle configurazioni di registrazione neurale utilizzate in tali esperimenti è il raggiungimento di una sincronizzazione precisa di più dispositivi che comunicano tra loro, tra cui microscopi e schermi che visualizzano gli stimoli, per mappare accuratamente le risposte neurali agli eventi visivi.

Ad esempio, nel Rompani Lab, un laboratorio di neuroscienze visive presso l’European Molecular Biology Laboratory (EMBL) di Roma, il sistema di registrazione (un microscopio a due fotoni) deve comunicare con il sistema di stimolazione visiva (composto da due schermi) che vengono utilizzati per mostrare stimoli visivi durante la registrazione dell’attività neurale. Per sincronizzare questi sistemi in modo efficiente, si sono rivolti a un Arduino UNO Rev3. “La sua semplicità, affidabilità e facilità di integrazione lo hanno reso uno strumento ideale per gestire la tempistica e la comunicazione tra diversi dispositivi nel laboratorio“, afferma Pietro Micheli, dottorando presso l’EMBL di Roma.

Come funziona la configurazione

L’Arduino UNO Rev3 viene utilizzato per segnalare al microscopio quando inizia lo stimolo (che è fondamentalmente solo un breve video) e quando finisce. Mentre il microscopio registra e acquisisce fotogrammi, un semplice firmware dice all’UNO di riconoscere il flusso di dati su una porta COM del computer utilizzato per controllare la stimolazione visiva.

All’interno dello script Python utilizzato per controllare gli schermi, ogni volta che inizia un nuovo stimolo, viene scritto un comando sulla porta seriale. Il microcontrollore legge il comando, che può essere “H” o “L”, e imposta la tensione dell’uscita TTL sul pin 9 a 5 V o 0 V, rispettivamente. Questo segnale TTL va al controller del microscopio, che genera timestamp per lo stato del microscopio. Questi timestamp contengono i numeri di frame esatti della registrazione del microscopio in cui lo stimolo è iniziato (fronte di salita del TTL) e terminato (fronte di discesa del TTL).

Tutte queste informazioni sono essenziali per l’analisi della registrazione, poiché consentono ai ricercatori dell’EMBL di Roma di allineare le risposte neurali registrate al protocollo di stimolazione presentato. Una volta allineata l’attività neurale, può iniziare l’analisi downstream, concentrandosi sulla comprensione dell’attività cerebrale più profonda.

Vi siete mai chiesti che aspetto hanno i neuroni che si attivano?

Micheli ha condiviso un esempio del tipo di attività neurale acquisita durante una sessione sperimentale con la configurazione descritta sopra.

I piccoli punti lampeggianti sono singoli neuroni registrati dalla corteccia visiva di un topo sveglio e attivo. Il segnale monitorato è la fluorescenza di una particolare proteina prodotta dai neuroni, che indica il loro livello di attività. Dopo che la luce emessa dai neuroni è stata registrata e digitalizzata, i ricercatori estraggono tracce di fluorescenza per ogni neurone. A questo punto, possono procedere con l’analisi dell’attività neurale, per cercare di capire come gli stimoli visivi mostrati siano effettivamente codificati dalla popolazione neurale registrata.

 

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