Los investigadores de la Universidad de Princeton han capturado entre las primeras grabaciones de actividad neuronal en casi todo el cerebro de un animal que se mueve libremente. Las grabaciones tridimensionales podrían proporcionar a los científicos una mejor comprensión de cómo las neuronas coordinan la acción y la percepción en los animales.
Los investigadores informan en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias una técnica que les permitió grabar imágenes tridimensionales de la actividad neuronal en el nematodo Caenorhabditis elegans, una especie de gusano de 1 milímetro de largo con un sistema nervioso que contiene solo 302 neuronas. Los investigadores correlacionaron la actividad de 77 neuronas del nervio del animalsistema con comportamientos específicos, como movimiento hacia atrás o hacia adelante y giro.
Gran parte del trabajo previo relacionado con la actividad neuronal se centra en pequeñas subregiones del cerebro o se basa en observaciones de organismos que están inconscientes o de alguna manera limitados en movilidad, explicó el autor correspondiente Andrew Leifer, investigador asociado en el Instituto Lewis-Sigler de Princeton paraGenómica Integrativa.
"Este sistema es emocionante porque proporciona la imagen más detallada hasta ahora de la actividad neuronal de todo el cerebro con resolución de neurona única en el cerebro de un animal que es libre de moverse", dijo Leifer.
"La neurociencia está al comienzo de una transición hacia grabaciones de actividad neuronal a mayor escala y hacia el estudio de animales en condiciones más naturales", dijo. "Este trabajo ayuda a impulsar el campo en ambos frentes".
Un enfoque actual en neurociencia es comprender cómo las redes de neuronas se coordinan para producir comportamiento, dijo Leifer. La tecnología para registrar desde numerosas neuronas a medida que un animal realiza sus actividades normales, sin embargo, ha sido lenta en su desarrollo, dijo. Redes neuronalesson arreglos infinitesimales de señales químicas e impulsos eléctricos que pueden incluir, como en los humanos, miles de millones de células.
El sistema nervioso más simple de C. elegans proporcionó a los investigadores un campo de pruebas más manejable para su instrumento. Sin embargo, también podría revelar información sobre cómo las neuronas trabajan juntas que se aplica a organismos más complejos, dijo Leifer. Por ejemplo, los investigadores se sorprendieron por la cantidad de neuronas involucradasen el acto aparentemente simple de darse la vuelta.
"Una razón por la que tuvimos éxito fue que elegimos trabajar con un organismo muy simple", dijo Leifer. "Sería inmensamente más difícil realizar grabaciones de cerebro completo en humanos. La tecnología necesaria para realizar grabaciones similares en humanos esa muchos años de distancia
"Sin embargo, al estudiar cómo funciona el cerebro en un animal simple como el gusano, esperamos obtener información sobre cómo funcionan las colecciones de neuronas que son universales para todos los cerebros, incluso los humanos", dijo.
Leifer trabajó con los coprimeros autores Jeffrey Nguyen, investigador asociado postdoctoral en el Instituto Lewis-Sigler, y Frederick Shipley, ex investigador asociado en el Instituto Lewis-Sigler, ahora candidato a doctorado en biofísica en la Universidad de Harvard.El equipo también incluyó a Joshua Shaevitz, profesor asociado de física y al Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa; Ashley Linder, Mochi Liu y Sagar Setru, estudiantes graduados de Leifer y Shaevitz; y George Plummer, ex investigador asociado de Lewis-Sigler Institute que ahora es estudiante de medicina en la Universidad de Tufts.
Los investigadores diseñaron un instrumento que captura los niveles de calcio en las células cerebrales a medida que se comunican entre sí. El nivel de calcio en cada célula cerebral les dice a los investigadores qué tan activa es esa célula en su comunicación con otras células del sistema nervioso. Los investigadoresindujo a las células cerebrales de los nemotodos a generar una proteína conocida como indicador de calcio que se vuelve fluorescente cuando entra en contacto con el calcio.
Los investigadores utilizaron un tipo especial de microscopio para registrar en 3-D tanto los movimientos libres de los nematodos como la actividad de calcio a nivel de neurona durante más de cuatro minutos. El software tridimensional que diseñaron los investigadores monitoreó la posición de la cabeza de un animal en tiempo realtiempo como una plataforma motorizada ajustada automáticamente para mantener al animal dentro del campo de visión de una serie de cámaras.
La configuración completa se basó en varias disciplinas y técnicas, incluyendo física, informática e ingeniería, dijo Leifer. Por ejemplo, los algoritmos de visión por computadora en tiempo real que los investigadores usaron para rastrear el cerebro de los gusanos son similares en principio a los utilizadosen robótica o en automóviles sin conductor.
Aún más sobre el funcionamiento interno de la C. elegans el sistema nervioso aún no se ha extraído de los datos de los investigadores durante el próximo año, dijo Leifer. El equipo actualmente está trabajando para desarrollar las correlaciones entre la actividad neuronal y el comportamiento en general.
"Estas grabaciones son muy grandes y solo hemos comenzado el proceso de extraer cuidadosamente todos los datos", dijo Leifer.
"Un próximo paso emocionante es usar correlaciones en nuestras grabaciones para construir modelos matemáticos y computacionales de cómo funciona el cerebro", dijo. "Podemos usar estos modelos para generar hipótesis sobre cómo la actividad neuronal genera conductas. Planeamos entoncespruebe estas hipótesis, por ejemplo, estimulando neuronas específicas en un organismo y observando el comportamiento resultante ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Morgan Kelly. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :