El calcio es una molécula de señalización crítica para la mayoría de las células, y es especialmente importante en las neuronas. Las imágenes de calcio en las células cerebrales pueden revelar cómo se comunican las neuronas entre sí; sin embargo, las técnicas de imagen actuales solo pueden penetrar unos pocos milímetros en el cerebro.
Los investigadores del MIT han ideado una nueva forma de obtener imágenes de la actividad del calcio que se basa en la resonancia magnética MRI y les permite observar mucho más profundamente en el cerebro. Mediante esta técnica, pueden rastrear los procesos de señalización dentro de las neuronas de los animales vivos., lo que les permite vincular la actividad neuronal con comportamientos específicos.
"Este artículo describe la primera detección basada en MRI de la señalización de calcio intracelular, que es directamente análoga a los potentes enfoques ópticos utilizados ampliamente en neurociencia pero ahora permite que tales mediciones se realicen in vivo en tejido profundo", dice Alan Jasanoff, un MITprofesor de ingeniería biológica, cerebro y ciencias cognitivas, y ciencia e ingeniería nuclear, y miembro asociado del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT.
Jasanoff es el autor principal del artículo, que aparece en la edición del 22 de febrero de Comunicaciones de la naturaleza . Postdocs del MIT Ali Barandov y Benjamin Bartelle son los autores principales del artículo. Catherine Williamson, graduada del MIT Emily Loucks, y el Profesor Emérito de Química Arthur Amos Noyes, Stephen Lippard, también son autores del estudio.
Entrar en las celdas
En su estado de reposo, las neuronas tienen niveles de calcio muy bajos. Sin embargo, cuando disparan un impulso eléctrico, el calcio se inunda en la célula. Durante las últimas décadas, los científicos han ideado formas de representar esta actividad etiquetando el calcio con moléculas fluorescentes.Esto se puede hacer en células cultivadas en una placa de laboratorio o en el cerebro de animales vivos, pero este tipo de imágenes de microscopía solo puede penetrar unas pocas décimas de milímetro en el tejido, lo que limita la mayoría de los estudios a la superficie del cerebro.
"Se están haciendo cosas increíbles con estas herramientas, pero queríamos algo que nos permitiera a nosotros mismos y a los demás observar más profundamente la señalización a nivel celular", dice Jasanoff.
Para lograr eso, el equipo del MIT recurrió a la MRI, una técnica no invasiva que funciona mediante la detección de interacciones magnéticas entre un agente de contraste inyectado y moléculas de agua dentro de las células.
Muchos científicos han estado trabajando en sensores de calcio basados en IRM, pero el principal obstáculo ha sido el desarrollo de un agente de contraste que pueda ingresar a las células cerebrales. El año pasado, el laboratorio de Jasanoff desarrolló un sensor de IRM que puede medir las concentraciones extracelulares de calcio, pero estos fueronbasado en nanopartículas que son demasiado grandes para entrar en las células.
Para crear sus nuevos sensores intracelulares de calcio, los investigadores utilizaron bloques de construcción que pueden pasar a través de la membrana celular. El agente de contraste contiene manganeso, un metal que interactúa débilmente con los campos magnéticos, unido a un compuesto orgánico que puede penetrar las membranas celulares.El complejo también contiene un brazo de unión al calcio llamado quelante.
Una vez dentro de la célula, si los niveles de calcio son bajos, el quelante de calcio se une débilmente al átomo de manganeso, protegiendo el manganeso de la detección por resonancia magnética. Cuando el calcio fluye hacia la célula, el quelante se une al calcio y libera el manganeso, lo que produceel agente de contraste aparece más brillante en una imagen de resonancia magnética.
"Cuando las neuronas u otras células cerebrales llamadas glía se estimulan, a menudo experimentan aumentos de más de diez veces en la concentración de calcio. Nuestro sensor puede detectar esos cambios", dice Jasanoff.
medidas precisas
Los investigadores probaron su sensor en ratas inyectándolo en el cuerpo estriado, una región profunda dentro del cerebro que participa en la planificación del movimiento y el aprendizaje de nuevos comportamientos. Luego usaron iones de potasio para estimular la actividad eléctrica en las neuronas del cuerpo estriado, y fueroncapaz de medir la respuesta de calcio en esas células.
Jasanoff espera usar esta técnica para identificar pequeños grupos de neuronas que están involucradas en comportamientos o acciones específicas. Debido a que este método mide directamente la señalización dentro de las células, puede ofrecer información mucho más precisa sobre la ubicación y el momento de la actividad neuronal que la funcionalidad funcional tradicionalMRI fMRI, que mide el flujo sanguíneo en el cerebro.
"Esto podría ser útil para descubrir cómo las diferentes estructuras del cerebro trabajan juntas para procesar estímulos o coordinar el comportamiento", dice.
Además, esta técnica podría usarse para obtener imágenes de calcio, ya que realiza muchas otras funciones, como facilitar la activación de las células inmunes. Con una modificación adicional, también podría usarse algún día para realizar imágenes de diagnóstico del cerebro u otros órganoscuyas funciones dependen del calcio, como el corazón.
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 . Original escrito por Anne Trafton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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