Los científicos tienen muchas formas de observar como neuronas individuales en un incendio cerebral, enviando señales eléctricas de una a otra, pero todas comparten un problema básico. Cada método, ya sea que involucre sondas eléctricas, agentes químicos o modificaciones genéticas, esde alguna manera más invasivo de lo que les gustaría a los neurocientíficos.
Eso puede cambiar pronto. Como informan los investigadores de Stanford el 12 de diciembre en Luz: ciencia y aplicaciones , han desarrollado una forma de ver que las células del cerebro envían señales eléctricas utilizando solo luz, algunas lentes y otros elementos ópticos, y una cámara de video rápida.
La clave del nuevo enfoque, dijo Daniel Palanker, profesor de oftalmología y autor principal del nuevo artículo, es que cuando las neuronas disparan señales eléctricas, cambian sutilmente de forma. Ese cambio de escala nanométrica puede medirse mediante técnicas ópticas.
Hasta ahora, Palanker, Tong Ling, becario postdoctoral y autor principal del nuevo artículo, y sus colegas han medido esos minúsculos cambios de forma en redes de células similares a neuronas en una placa de laboratorio. Ahora están adaptando sus métodos para estudiarneuronas en el cerebro de los animales vivos. Si eso funciona, podría conducir a una forma más natural de estudiar al menos algunas partes del cerebro.
"Todo es natural, sin marcadores químicos, sin electrodos, nada. Son solo células como son", dijo Palanker, que es miembro de Stanford Bio-X y del Instituto de Neurociencias Wu Tsai.
La forma de las cosas
Suceden muchas cosas cuando las neuronas se activan. Por supuesto, existe la señal eléctrica en sí, que puede ser captada por electrodos. También hay cambios químicos, que pueden detectarse utilizando moléculas fluorescentes que se iluminan cuando una neurona se activa.
Y luego está la forma. Los investigadores se dieron cuenta por primera vez de que las neuronas cambian de forma al estudiar las neuronas de los cangrejos de río hace más de 40 años. En 1977, un equipo de investigadores de Stanford y UCSF hizo rebotar un láser de una neurona de cangrejo de río mientras se disparaba y mostró que su ancho cambiaba aproximadamente enel grosor de una hebra de ADN humano.
Sin embargo, traducir esos resultados en una forma de observar ópticamente las neuronas que se activan en cerebros humanos u otros mamíferos enfrentó una serie de desafíos. Por un lado, las neuronas del cangrejo de río son de 10 a 100 veces más gruesas que las neuronas de los mamíferos.usado, una forma simple de lo que se llama interferometría, solo puede medir cambios en un solo punto a la vez, lo que significa que podría usarse para estudiar solo un área pequeña de una célula a la vez, en lugar de obtener imágenes de toda la célula o inclusouna red de neuronas que se comunican entre sí en el cerebro.
Nueva luz sobre la activación de neuronas
Para resolver algunos de esos problemas, Ling, Palanker y sus colegas primero recurrieron a una variación en la interferometría estándar llamada microscopía de fase cuantitativa que permite a los investigadores trazar paisajes microscópicos completos, por ejemplo, el paisaje de una red de células dispuestas en unplaca de vidrio. La técnica es lo suficientemente simple y se puede hacer al hacer brillar luz láser a través de esas celdas, pasarla a través de algunas lentes, filtros y otros elementos ópticos y filtros, y grabar la salida con una cámara. Esa imagen luego se puede procesarpara crear un mapa topográfico de las celdas.
Ling, Palanker y el equipo razonaron que podían usar la técnica para medir cuánto cambian de forma las neuronas cuando se activan. Para probar la idea, cultivaron una red de células parecidas a neuronas en una placa de vidrio y usaron una cámara de video para grabarqué sucedió cuando las células, en realidad células derivadas de riñones modificadas para comportarse más como neuronas, se activaron. Al sincronizar el video con grabaciones eléctricas y promediar varios miles de ejemplos, el equipo creó una plantilla que describe cómo se mueven las células cuando se activan:en aproximadamente cuatro milisegundos, el espesor de la celda aumenta en aproximadamente tres nanómetros, un cambio de aproximadamente una centésima parte del 1 por ciento. Una vez que alcanza el espesor máximo, la celda tarda aproximadamente otra décima de segundo en encogerse.
Observación de las células cerebrales en funcionamiento
En la fase inicial del experimento, el equipo necesitaba electrodos para averiguar cuándo se dispararon las células. En la segunda fase, los miembros del equipo demostraron que podían usar su plantilla para buscar e identificar el disparo de las células sin depender de los electrodos.
Aún así, hay una serie de pasos que se deben tomar antes de que el equipo pueda hacer que el método funcione en cerebros reales. Primero, el equipo deberá hacer que la técnica funcione en neuronas reales, a diferencia de las células similares a neuronas que tienen."Las neuronas son más quisquillosas", dijo Palanker, pero el equipo ya ha comenzado a experimentar con ellas.
Un segundo desafío es que las neuronas en cerebros reales no están dispuestas en una sola capa en una placa de vidrio, como lo estaban las células que estudió el laboratorio de Palanker. En particular, el equipo no puede hacer brillar láseres a través del cerebro y espera ver muchode cualquier cosa salen por el otro lado, y mucho menos datos útiles. Afortunadamente, dijo Palanker, las técnicas que usaron con luz transmitida funcionan de manera similar en la luz reflejada, y la mayoría de las neuronas reflejan suficiente luz para que el enfoque funcione en teoría.
Existe una limitación que el equipo probablemente no podrá sortear: dado que la luz no penetra profundamente en el cerebro, el nuevo método solo podrá sondear las capas externas. Aún así, para proyectos que solonecesitan estudiar estas capas, la técnica podría proporcionar a los investigadores una forma más limpia y sencilla de estudiar el cerebro.
"Por lo general, los métodos invasivos afectan lo que hacen las células, por lo que las mediciones son menos confiables", dijo Palanker. "Aquí no le haces nada a las células. Básicamente, solo ves cómo se mueven".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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