Los ingenieros y neurocientíficos de Columbia han unido fuerzas para crear videos en 3D de células nerviosas individuales que se mueven, se estiran y se activan dentro de las larvas de moscas de la fruta mientras se mueven. Los datos obtenidos de estos videos revelan cómo las células nerviosas llamadas neuronas propioceptivas trabajan juntas para ayudar al cuerpo a sentirdónde está en el espacio. Para lograr esta hazaña, los investigadores utilizaron SCAPE, un microscopio de vanguardia desarrollado en Columbia que captura imágenes de neuronas a velocidades ultrarrápidas.
Estos hallazgos, publicados hoy en Biología actual , ilustra la capacidad de SCAPE de revelar el funcionamiento interno del sistema nervioso con detalles sin precedentes. Al crear imágenes de acción en vivo en 3D de las células nerviosas en las larvas a medida que los animales se arrastraban, SCAPE permitió a los investigadores ver exactamente cómo esas células a lo largo de la pared del cuerpomovimientos informados de regreso al cerebro.
"Sabemos que el cerebro recibe señales sensoriales a través de pulsos eléctricos que pasan a lo largo de las neuronas, pero no entendimos por qué algunos tipos de neuronas se encuentran en posiciones específicas, o cómo los patrones de señalización particulares representan diferentes movimientos", dijo Wesley Grueber, PhD, investigador principal del Instituto Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior de Columbia y coautor principal del artículo: "Para comprender este proceso, necesitábamos saber qué señales están enviando las neuronas mientras la larva se arrastraba sin restricciones".
"Aunque pudimos producir larvas cuyas neuronas estaban marcadas con fluorescencia mientras disparaban, tuvimos grandes dificultades para obtener imágenes", dijo Rebecca Vaadia, una candidata al doctorado en el laboratorio Grueber y la coautora del artículo. "Incluso nuestra más rápida".los microscopios requerían que el espécimen estuviera obligado a moverse de forma antinaturalmente lenta, por lo que nunca podríamos capturar realmente la actividad neuronal que reflejara los movimientos naturales y libres del animal hasta que comenzamos a usar SCAPE ".
"Desarrollamos SCAPE para visualizar cosas en 3D muy, muy rápido", dijo Elizabeth Hillman, PhD, también investigadora principal en el Instituto Zuckerman de Columbia y coautora principal del periódico. "Trabajando juntos, rápidamente descubrimos que podíamos grabarLas células nerviosas que destellan dentro de las larvas de la mosca de la fruta se arrastran. Nuestras altas velocidades nos permitieron medir los movimientos complejos en 3D del cuerpo y la actividad de las neuronas durante esos movimientos. Y podríamos hacerlo en tiempo real ".
Esta imagen generó una gran cantidad de datos. Para darle sentido, el equipo desarrolló algoritmos que rastrearon cada célula propioceptiva y determinaron exactamente cuándo estaba activa cuando el cuerpo se comprimió y extendió durante el rastreo.
"Vimos que la posición de cada célula la hacía sensible a cambios específicos en la forma general del cuerpo, y cuando alineamos todas las señales de las neuronas, vimos que generaban una secuencia detallada de señales que reflejaban cada parte del cuerpomovimiento ", dijo Wenze Li, PhD, coautor del artículo, quien recientemente obtuvo su doctorado en ingeniería eléctrica en el laboratorio Hillman en Columbia." Era como una hermosa máquina ".
"Nuestros experimentos mostraron consistentemente que cada una de las neuronas propiocepdoras reaccionaba de manera diferente a medida que las larvas se arrastraban, una observación que no podría haberse hecho si las larvas hubieran sido restringidas", dijo el Dr. Grueber, quien también es profesor asociado de fisiologíay biofísica celular y de neurociencia en el Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de Columbia: "Vimos, en tiempo real, cómo algunas neuronas disparaban cuando el cuerpo del animal se estiraba, mientras que otras disparaban cuando se comprimía".
Los científicos habían planteado durante mucho tiempo la hipótesis de que la propiocepción venía con redundancia porque apagar una, o incluso algunas, de estas neuronas solo hacía que la larva se arrastrara más lentamente. Sin embargo, el estudio de hoy descubrió que cada neurona tiene un papel diferente que desempeñar,y está posicionado precisamente para detectar aspectos específicos del movimiento de los animales. El equipo demostró que esta regla no solo se aplicaba para gatear, sino que era importante para codificar movimientos más complicados.
"Hemos avanzado mucho en descifrar el código de estas celdas", dijo Vaadia.
Descrita por primera vez por el Dr. Hillman y sus colegas en 2015, la microscopía SCAPE excitación plana alineada confocalmente forma imágenes en 3D de muestras vivas al escanearlas con una lámina de luz láser. El ingenio de SCAPE radica en poder proyectar y detectar estomoviendo la hoja de luz a través de una lente objetivo fija y única. SCAPE ofrece velocidades de imagen en 3D que son hasta 500 veces más rápidas que los microscopios convencionales que escanean objetos punto por punto.
SCAPE es especialmente adecuado para obtener imágenes de organismos pequeños como la mosca de la fruta, ya que pueden ser bastante transparentes y lo suficientemente pequeños como para obtener imágenes de sus cerebros o cuerpos completos, y células individuales dentro de ellos
"Las moscas, los gusanos y los peces tienen cerebros mucho más simples que los humanos, pero esto nos da la oportunidad de aprender cómo funciona realmente un sistema nervioso completo, célula por célula", dijo el Dr. Hillman, quien también es profesor de ingeniería biomédica enColumbia Engineering y profesor de radiología en el Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de Columbia: "Tenemos buenas razones para creer que si podemos entender mejor estos sistemas simples, las lecciones aprendidas se ampliarán a sistemas más complejos, incluidos los mamíferos".
La capacidad de SCAPE para capturar el cerebro en acción llega en el momento perfecto, ya que esfuerzos como los Proyectos Flyome y Human Connectome apuntan a establecer mapas detallados de la estructura y las conexiones del sistema nervioso. Un objetivo principal de la Iniciativa BRAIN, queha financiado el desarrollo de SCAPE y ha apoyado la colaboración de los Drs. Hillman y Grueber, es descifrar esta relación estructura-función. El objetivo final es aprovechar nuevas herramientas como SCAPE para comprender exactamente cómo miles de millones de conexiones entre células en el cerebro, enParalelamente a su compleja actividad, son capaces de generar el repertorio de comportamientos complejos que nuestro cerebro puede.
"Hemos demostrado que SCAPE puede rastrear y mapear las neuronas propioceptivas en una larva de mosca de la fruta que se arrastra, y es solo el primero de muchos estudios que ahora pueden explorar la mosca y el sistema nervioso de otros animales", dijo el Dr. Li"Ahora podemos etiquetar literalmente cualquier tipo de célula y descubrir qué hace cuando el animal se mueve, come o incluso forma un recuerdo; las posibilidades son infinitas".
Video: http://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=9xHZkMxfB0o
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por El Instituto Zuckerman de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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