Si las imágenes cerebrales pudieran compararse con Google Earth, los neurocientíficos ya tendrían una "vista satelital" bastante buena del cerebro y una gran "vista de la calle" de los detalles de las neuronas. Sin embargo, navegar por la forma en que el cerebro computa es, posiblemente, donde está la acción, y la "vista del mapa de navegación" de la neurociencia ha sido un poco escasa.
Ahora, un equipo de investigación dirigido por Eva Dyer, neurocientífica computacional e ingeniera eléctrica, ha fotografiado cerebros en esa escala similar a un mapa o "meso" utilizando los rayos de rayos X más potentes del país. La escala de imágenes ofrece una visión generaldel paisaje intercelular del cerebro a un nivel relevante para las redes neuronales pequeñas, que están en el núcleo de la capacidad del cerebro para calcular.
Dyer, quien recientemente se unió al Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Emory, también estudia cómo el cerebro computa a través de sus redes de señalización, y esta técnica de imagen podría algún día abrir nuevas ventanas sobre cómo funcionan.
rayos X de mayor energía
Un potente escáner de tomografía de rayos X permitió a los investigadores obtener imágenes de secciones particularmente gruesas de los cerebros de los ratones, lo que les permitió ver áreas neuronales intactas mucho más grandes de lo habitual en imágenes de microscopio. El escáner funcionaba con el mismo principio básico queescáner CT del hospital, pero este escáner utilizó fotones de rayos X de alta energía generados en un sincrotrón, una instalación del tamaño de docenas de campos de fútbol.
"El Laboratorio Nacional de Argonne ANL genera los rayos de rayos X de mayor energía del país en su sincrotrón", dijo Dyer, quien codirigió el estudio con Bobby Kasthuri de ANL en el sincrotrón de Fuente Fotónica Avanzada. "estudiaron todo tipo de materiales con rayos X realmente potentes. Luego se interesaron en estudiar el cerebro ".
La técnica también reveló rejillas capilares que entrelazan los tejidos cerebrales. Dominaron las imágenes, con cuerpos celulares de células cerebrales moteando uniformemente los capilares como guijarros en una esponja de lana de acero.
"Nuestras células cerebrales están incrustadas en este mar de vasculatura", dijo Dyer, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter de Georgia Tech y Emory.
El estudio sobre las nuevas imágenes apareció en la revista eNeuro el martes 17 de octubre de 2017. El equipo incluyó investigadores de la Universidad Johns Hopkins, la Universidad de Chicago, la Universidad Northwestern, el Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Pensilvania. El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU.Institutos Nacionales de Salud, la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.
bosque neural para los árboles
La microscopía electrónica ya captura detalles neuronales con una claridad impresionante. Las imágenes de resonancia magnética funcional fMRI, por sus siglas en inglés producen excelentes imágenes de las estructuras cerebrales y una amplia señalización neural.
Entonces, ¿por qué los investigadores incluso necesitan imágenes de mesoescala?
"La imagen de FMRI en un nivel alto, y con muchos microscopios, te acercas demasiado para reconocer el bosque para los árboles", dijo Dyer. "Aunque puedes ver mucho con ellos, también puedes perderte mucho"
"Si observa la señalización cerebral en el nivel de las neuronas individuales, se ve muy misteriosa, pero si da un paso atrás y observa la actividad de una población de cientos de neuronas, es posible que vea patrones más simples y claros que intuitivamentetiene más sentido "
En un estudio anterior, Dyer descubrió que las direcciones del movimiento de la mano correspondían con patrones confiables de señalización neural en la neocorteza motora del cerebro. Las señales no se producían en neuronas individuales o unas pocas docenas, sino en grupos de cientos de neuronas.vista espacial en el mismo orden de cientos de neuronas.
sueños de megamapas
Los investigadores también han podido combinar su nueva técnica de imagen de nivel meso con microscopía electrónica extremadamente detallada. Y eso tiene el potencial de acercarlos a un tipo de Google Earth para el cerebro al combinar vistas de mesoescala o de mapa convistas ampliadas o como calles.
"Hemos comenzado a hacer una tomografía de rayos X en tejidos cerebrales grandes, luego hemos profundizado en pequeñas regiones específicas de interés en el mismo tejido con un microscopio electrónico para ver el conectoma completo allí", dijo Dyer. El conectoma se refiereal esquema total de los cientos de conexiones individuales entre neuronas.
Los investigadores esperan algún día poder cambiar de una vista de mesoescala a una vista de primer plano, un poco como Google Earth.
Acercar y luego acercar
"Creo que lo que vamos a necesitar en neurociencia es esta capacidad de atravesar diferentes escalas", dijo Dyer. Ella imagina una futura tecnología de imágenes de múltiples escalas que sea útil para comprender las enfermedades neurológicas.
"Queremos poder decirle a alguien que está investigando una enfermedad cuál es la anatomía subyacente de su muestra de laboratorio de manera automatizada", dijo. "Puede navegar usando esta vista de mesoescala para obtener el contexto de dónde está el daño."
Entonces, el usuario podría acercarse a una arteria bloqueada o tejido destruido análogamente a la forma en que las imágenes satelitales pueden acercarse a los atascos de tráfico para ver qué los está causando
De rayos X a imagen gráfica
Al igual que un mapa de navegación, las imágenes finales en el estudio fueron representaciones gráficas coloridas, claras y de mesoescala. Se basaron en la tomografía de rayos X, pero se involucró mucho en pasar de los rayos X a la imagen.
Primero, la sección gruesa del cerebro giraba en el haz de rayos X de alta energía, que se transformaba en una imagen análoga a la salida de un escáner CT. Luego, los humanos y los algoritmos identificaban las estructuras y características antes de que se calcularan enVasculatura tridimensional codificada por colores y cuerpos celulares.
Los detalles de las células individuales eran muy básicos. En las neuronas, a menudo los núcleos eran visibles en la imagen de tomografía de rayos X, y los axones envueltos en mielina materia blanca a veces también aparecían.
Cálculo pragmático
La nueva imagen de mesoescala de muestras de cerebro también tiene ventajas pragmáticas.
Puede ser posible examinar regiones minúsculas del cerebro pieza por pieza con microscopios electrónicos y luego calcularlas juntas en una imagen completa del cerebro, pero no es práctico ". Producir un mapa tridimensional de solo un milímetro cúbico del cerebro conun microscopio electrónico requiere procesar petabytes de datos ", dijo Dyer.
Por el contrario, los investigadores necesitan 100 gigabytes de datos para calcular una imagen de un milímetro cúbico de tejido cerebral usando escaneos de tomografía de rayos X de mesoescala de secciones cerebrales más gruesas. Pero el objetivo de los investigadores es no tener que cortar el tejido entodas.
"Con el tiempo, queremos poder obtener imágenes de cerebros completos, tal como están, con este método para ver la totalidad de sus redes neuronales y otras estructuras".
Este estudio fue escrito por William Gray Roncal y Joshua T. Vogelstein de la Universidad Johns Hopkins, Judy Prasad de la Universidad de Chicago, Hugo L. Fernandes de la Universidad del Noroeste; Doga Gürsoy, Vincent De Andrade, Kamel Fezzaa y Xianghui Xiaodel Laboratorio Nacional de Argonne; Chris Jacobsen, de Argonne y Northwestern, y Konrad Körding, de la Universidad de Pensilvania. La investigación fue financiada por las instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU., operadas por el Laboratorio Nacional Argonne contrato DE-AC02-06CG11357, elInstituto Nacional de Salud Mental de los Institutos Nacionales de Salud subvención U01MH109100, el proyecto MICrONS de Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia, el programa SIMPLEX de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa contrato N66001-15-C-4041 y el programa GRÁFICOS DARPA contrato N66001-14-1-4028.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por Ben Brumfield. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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