Usando una sonda fluorescente que se ilumina cuando las células cerebrales están eléctricamente activas, los investigadores del MIT y de la Universidad de Boston han demostrado que pueden visualizar la actividad de muchas neuronas a la vez, en el cerebro de los ratones.
Esta técnica, que se puede realizar usando un microscopio óptico simple, podría permitir a los neurocientíficos visualizar la actividad de los circuitos dentro del cerebro y vincularlos con comportamientos específicos, dice Edward Boyden, profesor de Neurotecnología de Y. Eva Tan y profesor deingeniería biológica y de cerebro y ciencias cognitivas en el MIT.
"Si quieres estudiar un comportamiento o una enfermedad, debes imaginar la actividad de las poblaciones de neuronas porque trabajan juntas en una red", dice Boyden, quien también es miembro del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT,Media Lab y Koch Institute for Integrative Cancer Research.
Usando esta molécula sensora de voltaje, los investigadores demostraron que podían registrar la actividad eléctrica de muchas más neuronas de lo que ha sido posible con cualquier sonda de voltaje fluorescente existente, totalmente codificada genéticamente.
Boyden y Xue Han, profesor asociado de ingeniería biomédica en la Universidad de Boston, son los autores principales del estudio, que aparece en la edición en línea del 9 de octubre de Naturaleza . Los autores principales del artículo son el postdoctorado del MIT Kiryl Piatkevich, el estudiante graduado de BU Seth Bensussen y el científico investigador de BU Hua-an Tseng.
Ver conexiones
Las neuronas calculan utilizando impulsos eléctricos rápidos, que subyacen a nuestros pensamientos, comportamiento y percepción del mundo. Los métodos tradicionales para medir esta actividad eléctrica requieren la inserción de un electrodo en el cerebro, un proceso que requiere mucho trabajo y generalmente permite a los investigadores registrarde una sola neurona a la vez. Las matrices de electrodos múltiples permiten el monitoreo de la actividad eléctrica de muchas neuronas a la vez, pero no toman muestras lo suficientemente densas como para obtener todas las neuronas dentro de un volumen dado. Las imágenes de calcio sí permiten un muestreo tan denso, peromide el calcio, una medida indirecta y lenta de la actividad eléctrica neural.
En 2018, el equipo de Boyden desarrolló una forma alternativa de monitorear la actividad eléctrica marcando las neuronas con una sonda fluorescente. Utilizando una técnica conocida como evolución dirigida de proteínas, su grupo diseñó una molécula llamada Archon1 que puede insertarse genéticamente en las neuronas, donde se convierteincrustada en la membrana celular. Cuando aumenta la actividad eléctrica de una neurona, la molécula se vuelve más brillante y esta fluorescencia se puede ver con un microscopio óptico estándar.
En el artículo de 2018, Boyden y sus colegas demostraron que podían usar la molécula para obtener imágenes de la actividad eléctrica en los cerebros de gusanos transparentes y embriones de pez cebra, y también en rodajas de cerebro de ratón. En el nuevo estudio, querían intentar usaren ratones vivos y despiertos mientras participan en un comportamiento específico.
Para hacer eso, los investigadores tuvieron que modificar la sonda para que fuera a una subregión de la membrana de la neurona. Descubrieron que cuando la molécula se inserta en toda la membrana celular, las imágenes resultantes son borrosas porque los axones y las dendritasque se extienden desde las neuronas también fluorescentes. Para superar eso, los investigadores colocaron un pequeño péptido que guía la sonda específicamente a las membranas de los cuerpos celulares de las neuronas. Llamaron a esta proteína modificada SomArchon.
"Con SomArchon, puedes ver cada celda como una esfera distinta", dice Boyden. "En lugar de que la luz de una celda empañe a todos sus vecinos, cada celda puede hablar por sí misma en voz alta y clara, sin contaminarse por sus vecinos".
Los investigadores utilizaron esta sonda para obtener imágenes de la actividad en una parte del cerebro llamada estriado, que participa en la planificación del movimiento, ya que los ratones corrieron sobre una pelota. Pudieron monitorear la actividad en varias neuronas simultáneamente y correlacionar la actividad de cada uno conel movimiento de los ratones. La actividad de algunas neuronas aumentó cuando los ratones corrían, otras disminuyeron y otras no mostraron cambios significativos.
"A lo largo de los años, mi laboratorio ha probado muchas versiones diferentes de sensores de voltaje, y ninguno de ellos ha trabajado en cerebros de mamíferos vivos hasta este", dice Han.
Utilizando esta sonda fluorescente, los investigadores pudieron obtener mediciones similares a las registradas por una sonda eléctrica, que puede detectar actividad en un tiempo muy rápido. Esto hace que las mediciones sean más informativas que las técnicas existentes, como la obtención de imágenes de calcio, que los neurocientíficosa menudo se usa como un proxy para la actividad eléctrica.
"Queremos registrar la actividad eléctrica en una escala de tiempo de milisegundos", dice Han. "La escala de tiempo y los patrones de actividad que obtenemos de las imágenes de calcio son muy diferentes. Realmente no sabemos exactamente cómo se relacionan estos cambios de calcio con la dinámica eléctrica"
Con el nuevo sensor de voltaje, también es posible medir fluctuaciones muy pequeñas en la actividad que ocurren incluso cuando una neurona no dispara un pico. Esto podría ayudar a los neurocientíficos a estudiar cómo las pequeñas fluctuaciones impactan el comportamiento general de una neurona, que anteriormente ha sido muydifícil en los cerebros vivos, dice Han.
mapeo de circuitos
Los investigadores también demostraron que esta técnica de imagen puede combinarse con la optogenética, una técnica desarrollada por el laboratorio de Boyden y sus colaboradores que permite a los investigadores encender y apagar las neuronas con la luz al diseñarlas para que expresen proteínas sensibles a la luz. En este caso, los investigadores activaron ciertas neuronas con luz y luego midieron la actividad eléctrica resultante en estas neuronas.
Esta tecnología de imágenes también podría combinarse con la microscopía de expansión, una técnica que el laboratorio de Boyden desarrolló para expandir el tejido cerebral antes de obtener imágenes, lo que facilita ver las conexiones anatómicas entre las neuronas en alta resolución.
"Uno de los experimentos de mis sueños es obtener imágenes de toda la actividad en un cerebro y luego usar la microscopía de expansión para encontrar el cableado entre esas neuronas", dice Boyden. "Entonces podemos predecir cómo emergen los cálculos neuronales del cableado".
Tales diagramas de cableado podrían permitir a los investigadores identificar anormalidades en los circuitos que subyacen a los trastornos cerebrales, y también pueden ayudar a los investigadores a diseñar inteligencia artificial que imite más al cerebro humano, dice Boyden.
La parte MIT de la investigación fue financiada por Edward y Kay Poitras, los Institutos Nacionales de Salud, incluido el Premio Pionero del Director, Charles Hieken, John Doerr, la Fundación Nacional de Ciencias, el Programa HHMI-Simons Faculty Scholars, la Frontera HumanaPrograma de Ciencias y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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