los neurocientíficos del MIT han desarrollado un nuevo sensor de resonancia magnética MRI que les permite controlar la actividad neuronal en las profundidades del cerebro mediante el seguimiento de iones de calcio.
Debido a que los iones de calcio están directamente relacionados con la activación neuronal, a diferencia de los cambios en el flujo sanguíneo detectados por otros tipos de IRM, que proporcionan una señal indirecta, este nuevo tipo de detección podría permitir a los investigadores vincular funciones cerebrales específicas a su patrón deactividad neuronal y para determinar cómo las regiones distantes del cerebro se comunican entre sí durante tareas particulares.
"Las concentraciones de iones de calcio están estrechamente relacionadas con los eventos de señalización en el sistema nervioso", dice Alan Jasanoff, profesor de ingeniería biológica, ciencias cerebrales y cognitivas del MIT, y ciencia e ingeniería nuclear, miembro asociado del Instituto McGovern para el Cerebro del MITResearch y el autor principal del estudio: "Diseñamos una sonda con una arquitectura molecular que puede detectar cambios relativamente sutiles en el calcio extracelular que se correlacionan con la actividad neuronal".
En las pruebas en ratas, los investigadores mostraron que su sensor de calcio puede detectar con precisión los cambios en la actividad neuronal inducida por la estimulación química o eléctrica, en lo profundo de una parte del cerebro llamada el cuerpo estriado.
Los asociados de investigación del MIT, Satoshi Okada y Benjamin Bartelle, son los autores principales del estudio, que aparece en la edición del 30 de abril de Nanotecnología de la naturaleza . Otros autores incluyen al profesor de ciencias cerebrales y cognitivas Mriganka Sur, investigador asociado Nan Li, postdoc Vincent Breton-Provencher, ex postdoc Elisenda Rodriguez, estudiante de Wellesley College Jiyoung Lee y estudiante de secundaria James Melican.
seguimiento de calcio
Un pilar de la investigación en neurociencia, la IRM permite a los científicos identificar partes del cerebro que están activas durante tareas particulares. El tipo más comúnmente utilizado, conocido como IRM funcional, mide el flujo sanguíneo en el cerebro como un marcador indirecto de actividad neuronal. Jasanoffy sus colegas querían idear una forma de mapear patrones de actividad neuronal con especificidad y resolución que las técnicas de MRI basadas en el flujo sanguíneo no pueden lograr.
"Los métodos que pueden mapear la actividad cerebral en los tejidos profundos dependen de los cambios en el flujo sanguíneo, y estos se unen a la actividad neuronal a través de muchas vías fisiológicas diferentes", dice Jasanoff. "Como resultado, la señal que se ve al finala menudo es difícil de atribuir a cualquier causa subyacente particular "
El flujo de iones de calcio, por otro lado, puede estar directamente relacionado con la actividad neuronal. Cuando una neurona dispara un impulso eléctrico, los iones de calcio ingresan a la célula. Durante aproximadamente una década, los neurocientíficos han estado utilizando moléculas fluorescentes para etiquetar el calcio en elcerebro e imagen con microscopía tradicional. Esta técnica les permite rastrear con precisión la actividad neuronal, pero su uso se limita a pequeñas áreas del cerebro.
El equipo del MIT se propuso encontrar una manera de obtener imágenes de calcio mediante MRI, que permite analizar volúmenes de tejido mucho más grandes. Para ello, diseñaron un nuevo sensor que puede detectar cambios sutiles en las concentraciones de calcio fuera de las células y responder enuna forma que se puede detectar con IRM
El nuevo sensor consta de dos tipos de partículas que se agrupan en presencia de calcio. Una es una proteína de unión natural al calcio llamada sinaptotagmina, y la otra es una nanopartícula magnética de óxido de hierro recubierta de un lípido que también puede unirse asinaptotagmina, pero solo cuando hay calcio presente.
La unión de calcio induce a estas partículas a agruparse, haciéndolas aparecer más oscuras en una imagen de resonancia magnética. Los altos niveles de calcio fuera de las neuronas se correlacionan con una baja actividad neuronal; cuando las concentraciones de calcio disminuyen, significa que las neuronas en esa área están disparando impulsos eléctricos.
Detectando actividad cerebral
Para probar los sensores, los investigadores los inyectaron en el cuerpo estriado de las ratas, una región que participa en la planificación del movimiento y el aprendizaje de nuevos comportamientos. Luego les dieron a las ratas un estímulo químico que induce episodios cortos de actividad neuronal, y descubrieron queEl sensor de calcio reflejó esta actividad.
También descubrieron que el sensor detectó actividad inducida por estimulación eléctrica en una parte del cerebro involucrada en la recompensa.
La versión actual del sensor responde a los pocos segundos de la estimulación cerebral inicial, pero los investigadores están trabajando para acelerar eso. También están tratando de modificar el sensor para que pueda extenderse por una región más grande del cerebro ypasar a través de la barrera hematoencefálica, lo que permitiría entregar las partículas sin inyectarlas directamente en el sitio de prueba.
Con este tipo de sensor, Jasanoff espera mapear patrones de actividad neuronal con mayor precisión de la que es posible ahora. "Se podría imaginar medir la actividad de calcio en diferentes partes del cerebro y tratar de determinar, por ejemplo, cómo diferentes tipos de sensores sensorialeslos estímulos están codificados de diferentes maneras por el patrón espacial de actividad neuronal que inducen ", dice.
La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud y el Centro MIT Simons para el Cerebro Social.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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