Las señales eléctricas y químicas parpadean constantemente en nuestros cerebros a medida que avanzamos por el mundo, pero se necesitaría una cámara de alta velocidad y una ventana al cerebro para capturar sus caminos fugaces.
La Universidad de California, Berkeley, los investigadores ahora han construido una cámara de este tipo: un microscopio que puede obtener imágenes del cerebro de un ratón alerta 1,000 veces por segundo, registrando por primera vez el paso de pulsos eléctricos de milisegundos a través de las neuronas.
"Esto es realmente emocionante, porque ahora somos capaces de hacer algo que la gente realmente no podía hacer antes", dijo el investigador principal Na Ji, profesor asociado de física y biología molecular y celular de UC Berkeley.
La nueva técnica de imagen combina microscopía de fluorescencia de dos fotones y escaneo láser completamente óptico en un microscopio de última generación que puede obtener imágenes de un corte bidimensional a través de la neocorteza del cerebro del ratón hasta 3.000 veces por segundo.Eso es lo suficientemente rápido como para rastrear señales eléctricas que fluyen a través de los circuitos cerebrales.
Con esta técnica, los neurocientíficos como Ji ahora pueden registrar señales eléctricas a medida que se propagan a través del cerebro y finalmente buscan problemas de transmisión asociados con la enfermedad.
Una ventaja clave de la técnica es que permitirá a los neurocientíficos rastrear los cientos a decenas de miles de entradas que cualquier célula cerebral recibe de otras células cerebrales, incluidas las que no activan la célula para disparar.entradas, ya sea excitando o inhibiendo la neurona, se suman gradualmente a un crescendo que activa la célula para disparar un potencial de acción, transmitiendo información a otras neuronas.
desde electrodos hasta imágenes de fluorescencia
El método típico para registrar la activación eléctrica en el cerebro, a través de electrodos incrustados en el tejido, detecta solo señales de algunas neuronas a medida que pasan los cambios de voltaje de milisegundos. La nueva técnica puede identificar la neurona real de activación y seguir el camino de laseñal, milisegundos por milisegundos.
"En las enfermedades, están sucediendo muchas cosas, incluso antes de que se vean las neuronas disparando, como todos los eventos por debajo del umbral", dijo Ji, miembro del Instituto de Neurociencia Helen Wills de UC Berkeley. "Nunca hemos visto cómo una enfermedadcambiar con entrada de umbral inferior. Ahora, tenemos un identificador para abordar eso. "
Ji y sus colegas informaron sobre la nueva técnica de imagen en la edición de marzo de la revista Métodos de la naturaleza . En el mismo número, ella y otros colegas también publicaron un artículo que demuestra una técnica diferente para obtener imágenes de la señalización de calcio en gran parte de un hemisferio completo del cerebro del ratón a la vez, una que utiliza un "mesoscopio de amplio campo de visión""con imágenes de dos fotones y escaneo de foco de Bessel. Las concentraciones de calcio están vinculadas con los cambios de voltaje a medida que las señales se transmiten a través del cerebro.
"Esta es la primera vez que alguien muestra en tres dimensiones la actividad neuronal de un volumen tan grande del cerebro a la vez, que está mucho más allá de lo que los electrodos pueden hacer", dijo Ji. "Además, nuestro enfoque de imagen nos da lacapacidad de resolver las sinapsis de cada neurona "
Las sinapsis son los puntos donde una neurona libera neurotransmisores para excitar o inhibir a otra.
Uno de los objetivos de Ji es comprender cómo las neuronas interactúan a través de grandes áreas del cerebro y eventualmente localizar circuitos enfermos vinculados a trastornos cerebrales.
"En los trastornos cerebrales, incluida la enfermedad neurodegenerativa, no es solo una neurona o unas pocas neuronas las que se enferman", dijo Ji. "Entonces, si realmente quieres entender estas enfermedades, quieres poder verlas comotantas neuronas como sea posible sobre diferentes regiones del cerebro. Con este método, podemos obtener una imagen mucho más global de lo que está sucediendo en el cerebro ".
microscopía de dos fotones
Ji y sus colegas pueden observar el cerebro gracias a las sondas que se pueden fijar a tipos específicos de células y convertirse en fluorescentes cuando cambia el entorno. Para rastrear los cambios de voltaje en las neuronas, por ejemplo, su equipo empleó un sensor desarrollado porcoautor Michael Lin, de la Universidad de Stanford, que se vuelve fluorescente cuando la membrana celular se despolariza a medida que se propaga una señal de voltaje a lo largo de la membrana celular.
Los investigadores luego iluminan estas sondas fluorescentes con un láser de dos fotones, lo que hace que emitan luz o fluorescencia, si se han activado. La luz emitida es capturada por un microscopio y combinada en una imagen 2D que muestra la ubicación deEl cambio de voltaje o la presencia de una sustancia química específica, como el ion de señalización, el calcio.
Al escanear rápidamente el láser sobre el cerebro, al igual que una linterna que revela gradualmente la escena dentro de una habitación oscura, los investigadores pueden obtener imágenes de una sola capa delgada de la neocorteza. El equipo pudo realizar entre 1,000 y 3,000escaneos 2D completos de una sola capa del cerebro cada segundo al reemplazar uno de los dos espejos giratorios del láser con un espejo óptico, una técnica llamada retraso de chirrido angular de espacio libre FACED. FACED fue desarrollado por el coautor de papel KevinTsia en la Universidad de Hong Kong.
Las imágenes en kilohercios no solo revelaron cambios de voltaje en milisegundos, sino que también cambiaron más lentamente las concentraciones de calcio y glutamato, un neurotransmisor, a una profundidad de hasta 350 micras un tercio de milímetro de la superficie del cerebro.
Para obtener imágenes en 3D rápidas del movimiento del calcio a través de las neuronas, combinó la microscopía fluorescente de dos fotones con una técnica diferente, el escaneo de foco de Bessel. Para evitar escaneos que requieren mucho tiempo de cada capa de neocórtex de espesor micrométrico, el foco de excitacióndel láser de dos fotones se forma desde un punto hasta un pequeño cilindro, como un lápiz, de aproximadamente 100 micras de longitud. Este haz de lápiz se escanea a seis profundidades diferentes a través del cerebro, y las imágenes fluorescentes se combinan para crear un 3Dimagen. Esto permite un escaneo más rápido con poca pérdida de información porque en cada volumen similar a un lápiz, generalmente solo una neurona está activa en cualquier momento. El mesoscopio puede obtener imágenes de un área de aproximadamente 5 mm de diámetro, casi un cuarto de un hemisferio deel cerebro del ratón y 650 micras de profundidad, cerca de la profundidad total de la neocorteza, que está involucrada en el procesamiento de información compleja.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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