Eric Betzig no esperaba que el experimento funcionara.
Dos científicos, Ruixuan Gao y Shoh Asano, querían usar el microscopio de su equipo en muestras de cerebro expandidas a cuatro veces su tamaño habitual, explotadas como globos. El dúo, parte del laboratorio del investigador del Instituto Médico Howard Hughes HHMI Ed Boydenen el Instituto de Tecnología de Massachusetts MIT, utiliza una técnica química para hacer que las muestras pequeñas sean más grandes para que los científicos puedan ver más fácilmente los detalles moleculares.
Su técnica, llamada microscopía de expansión, funcionó bien en células individuales o secciones de tejido delgado fotografiadas en microscopios de luz convencionales, pero el equipo de Boyden quería obtener imágenes de fragmentos de tejido mucho más grandes. Querían ver circuitos neuronales completos de milímetros o más. Los científicosnecesitaba un microscopio de alta velocidad, alta resolución y relativamente suave, algo que no destruyera una muestra antes de que pudieran terminar de obtener imágenes.
Entonces, recurrieron a Betzig. Su equipo en el Campus de Investigación Janelia de HHMI había utilizado su microscopio de lámina de luz reticular para obtener imágenes de la dinámica subcelular rápida de las células vivas sensibles en 3-D. La combinación de las dos técnicas de microscopía podría ofrecer un rápido, detalladoimágenes de amplias franjas de tejido cerebral.
"Pensé que estaban llenos de eso", recuerda Betzig. "La idea suena un poco tosca", dice Gao. "Estamos estirando los tejidos". Pero Betzig invitó a Gao y Asano a probar el enrejado.
"Iba a mostrárselos", se ríe Betzig. En cambio, estaba impresionado. "No podía creer la calidad de los datos que estaba viendo. Podrías haberme golpeado con una pluma".
Ahora, él y sus colegas de Janelia se han asociado con el grupo de Boyden e hicieron una imagen de todo el cerebro de la mosca de la fruta y secciones del cerebro del ratón del grosor de la corteza. Su método combinado ofrece una alta resolución con la capacidad de visualizar cualquier proteína deseada, ytambién es rápido. La obtención de imágenes del cerebro de la mosca en múltiples colores tomó solo 62.5 horas, en comparación con los años que tomaría usar un microscopio electrónico, Boyden, Betzig y sus colegas informan el 17 de enero de 2018 en la revista, ciencia .
"Puedo vernos llegando al punto de tomar imágenes de al menos 10 cerebros de mosca por día", dice Betzig, ahora investigador del HHMI en la Universidad de California, Berkeley. Dicha velocidad y resolución permitirán a los científicos hacer nuevas preguntas, dice, como cómo los cerebros difieren entre machos y hembras, o cómo los circuitos cerebrales varían entre moscas del mismo tipo.
El grupo de Boyden sueña con hacer un mapa del cerebro tan detallado que pueda simularlo en una computadora. "Hemos cruzado un umbral en el rendimiento de imágenes", dice. "Es por eso que estamos tan emocionados. No estamossimplemente escaneando incrementalmente más tejido cerebral, estamos escaneando cerebros completos "
expandiendo el cerebro
Hacer mapas detallados del cerebro requiere registrar su actividad y cableado; en los humanos, las miles de conexiones realizadas por cada una de más de 80 mil millones de neuronas. Tales mapas podrían ayudar a los científicos a detectar dónde comienza la enfermedad cerebral, desarrollar una mejor inteligencia artificial oincluso explicar el comportamiento: "Eso es como el santo grial de la neurociencia", dice Boyden.
Hace años, su grupo tuvo la idea de averiguar cómo estaba organizado todo: ¿qué pasaría si pudieran realmente hacer que el cerebro fuera más grande, lo suficientemente grande como para mirar dentro? Infundiendo muestras con geles hinchables, como las cosas en los pañales para bebés- El equipo inventó una forma de expandir los tejidos, haciendo que las moléculas dentro de la superficie estén menos abarrotadas y sean más fáciles de ver bajo un microscopio. Las moléculas se bloquean en un andamio de gel, manteniendo las mismas posiciones relativas incluso después de la expansión.
Pero no fue fácil obtener imágenes de grandes volúmenes de tejido. Cuanto más grueso es un espécimen, más difícil es iluminar solo las partes que desea ver. Brillar demasiada luz sobre las muestras puede blanquearlas, quemando las "bombillas fluorescentes""Los científicos usan para iluminar las células".
La expansión de una muestra solo cuatro veces aumenta su volumen 64 veces, por lo que la velocidad de imagen también se convierte en primordial, dice Gao. "Necesitábamos algo que fuera rápido y no tuviera muchos foto-blanqueos, y sabíamos que había un microscopio fantástico enJanelia ".
El microscopio de lámina de luz reticular arrastra una lámina de luz ultradelgada a través de una muestra, iluminando solo esa parte en el plano de enfoque del microscopio. Eso ayuda a que las áreas fuera de foco permanezcan oscuras, evitando que la fluorescencia de una muestra se extinga.
Cuando Gao y Asano probaron por primera vez sus tejidos de ratón expandidos en el alcance del enrejado, vieron un matorral de protuberancias brillantes que sobresalían de las ramas de las neuronas. Estas protuberancias, llamadas espinas dendríticas, a menudo se ven como hongos, con cabezas bulbosas en cuellos delgados que puedenser difícil de medir. Pero los científicos pudieron ver incluso "los cuellos más pequeños posibles", dice Asano, mientras que al mismo tiempo captura imágenes cercanas de proteínas sinápticas.
"Fue increíblemente impresionante", dice Betzig. El equipo estaba convencido de que deberían explorar más la técnica combinada. "Y eso es lo que hemos estado haciendo desde entonces", dice.
El cerebro y más allá
En los últimos dos años, Gao y Asano han pasado meses en Janelia, en equipo con biólogos, microscopistas, físicos e informáticos de todo el campus para capturar y analizar imágenes ". Esto es como una colaboración a nivel de los Vengadores", Gaodice, refiriéndose a la tripulación de superhéroes de cómic.
Yoshinori Aso y el equipo de FlyLight proporcionaron muestras de cerebro de mosca de alta calidad, que Gao y Asano expandieron y usaron para recolectar unos 50,000 cubos de datos en cada cerebro, formando una especie de rompecabezas en 3D. Esas imágenes requerían un cálculo computacional complicadocosturas para volver a unir las piezas, trabajo dirigido por Stephan Saalfeld e Igor Pisarev. "Stephen e Igor salvaron nuestro tocino", dice Betzig. "Se ocuparon de todos los pequeños y horribles detalles del procesamiento de imágenes y lo hicieron funcionar en cada multiterabyte.conjunto de datos "
A continuación, Srigokul Upadhyayula de la Harvard Medical School, coautor del informe, analizó los 200 terabytes de datos combinados y creó las impresionantes películas que muestran las complejidades del cerebro en colores vivos. Él y sus coautores investigaron más de 1,500 dendríticosespinas, imágenes de vainas grasas que aíslan las células nerviosas del ratón, resaltaron todas las neuronas dopaminérgicas y contaron todas las sinapsis en todo el cerebro de la mosca.
Los matices de la técnica de expansión del equipo de Boyden lo hacen muy adecuado para el alcance de la red; la técnica produce muestras casi transparentes. Para el microscopio, es casi como mirar a través del agua, en lugar de un mar turbio de suciedad molecular ". El resultado es queobtenemos imágenes nítidas a velocidades increíblemente rápidas en volúmenes muy grandes en comparación con técnicas de microscopía anteriores ", dice Boyden.
Aún así, los desafíos persisten. Como con cualquier tipo de microscopía de fluorescencia de súper resolución, dice Betzig, puede ser difícil decorar proteínas con suficientes focos fluorescentes para verlas claramente en alta resolución. Y dado que la microscopía de expansión requiere muchos pasos de procesamiento, todavía hayel potencial para la introducción de artefactos. Debido a esto, dice, "trabajamos muy duro para validar lo que hemos hecho, y sería aconsejable que otros hicieran lo mismo".
Ahora, Gao y el equipo de Janelia están construyendo un nuevo microscopio de lámina de luz de celosía, que planean trasladar al laboratorio de Boyden en el MIT. "Nuestra esperanza es hacer rápidamente mapas de todo el sistema nervioso", dice Boyden.
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Materiales proporcionado por Instituto Médico Howard Hughes . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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