Nuestro cerebro contiene decenas de miles de millones de células nerviosas neuronas que se comunican constantemente entre sí mediante el envío de destellos químicos y eléctricos, cada uno de los cuales dura un corto milisegundo 0.001 segundos. En cada milisegundo, estos miles de millones de destellos veloces en totalviajando en un mapa estelar gigante en el cerebro que ilumina un patrón tortuoso y brillante. Son el origen de todas las funciones y comportamientos del cuerpo, como las emociones, las percepciones, los pensamientos, las acciones y los recuerdos, y también las enfermedades cerebrales, como las enfermedades de Alzheimer y Parkinson., en caso de anormalidades.
Un gran desafío para la neurociencia en el siglo XXI es capturar estos patrones complejos de parpadeo de las actividades neuronales, que es la clave para una comprensión integrada de las interacciones a gran escala en todo el cerebro. Capturar estas señales de vuelo rápido en vivo ha sidoun desafío para los neurocientíficos y los ingenieros biomédicos. Tomaría un microscopio de alta velocidad en el cerebro, lo que hasta ahora no ha sido posible.
Un equipo de investigación dirigido por el Dr. Kevin Tsia, Profesor Asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica y Director del Programa de Licenciatura en Ingeniería Biomédica de la Universidad de Hong Kong HKU; y el Profesor Ji Na, del Departamento deMolecular & Cell Biology, Universidad de California, Berkeley UC Berkeley ofrece una solución novedosa con su microscopio de súper alta velocidad: microscopio de fluorescencia de dos fotones, que ha registrado con éxito las señales eléctricas de milisegundos en las neuronas de un ratón alerta.
La nueva técnica es mínimamente invasiva para el animal que se está probando en comparación con el método tradicional que requiere insertar un electrodo en el tejido cerebral. Esto no solo es menos dañino para las neuronas sino que también puede identificar neuronas individuales y trazar sus rutas de disparo, milisegundospor milisegundos.
El resultado de este trabajo innovador ha sido publicado recientemente en la revista académica Métodos de la naturaleza . El proyecto fue financiado por el Instituto Nacional de Salud, EE. UU.
En el corazón del microscopio de alta velocidad hay una técnica innovadora llamada FACED imagen de retardo mejorada con chirp angular de espacio libre, desarrollada por el equipo del Dr. Tsai anteriormente nota 1. FACED utiliza un par deespejos que generan una lluvia de pulsos láser para crear un rayo láser de barrido súper rápido al menos 1,000 veces más rápido que los métodos de escaneo láser existentes.
En el experimento, el microscopio proyectó un haz de láser de barrido sobre el cerebro del ratón y capturó entre 1,000 y 3,000 escaneos 2D completos de una sola capa del cerebro del ratón de la neocorteza cada segundo. Para sondear las señales eléctricas genuinas que pulsan entre elLas neuronas, el equipo insertó un biosensor moléculas de proteínas, desarrollado por el Dr. Michael Lin de la Universidad de Stanford, en las neuronas del cerebro del ratón.
"Estas proteínas de ingeniería se iluminarán o fluorescerán cuando haya una señal de voltaje que atraviese las neuronas. La luz emitida es detectada por el microscopio y se forma en una imagen 2D que visualiza las ubicaciones de estos cambios de voltaje", dijoDr. Tsia.
"Este es realmente un resultado emocionante ya que ahora podemos echar un vistazo a las actividades neuronales, que alguna vez estuvieron oscurecidas y podrían proporcionar las pistas fundamentales para comprender las funciones cerebrales y, lo que es más importante, las enfermedades cerebrales", agregó.
Además de las señales eléctricas, el equipo también usó el microscopio para capturar la cámara lenta de las señales químicas en el cerebro del ratón, como el calcio y el glutamato, un neurotransmisor, a una profundidad de hasta un tercio de un milímetro de la superficie del cerebro.
Una ventaja notable de esta técnica es la capacidad de rastrear las señales que no disparan la neurona: señales neuronales débiles llamadas señales de sub-umbral que a menudo son difíciles de capturar y detectar, lo que también podría ocurrir en muchosenfermedad en el cerebro, pero aún se han estudiado en detalle debido a la falta de una técnica de alta velocidad como la desarrollada por el equipo.
Otra característica importante de la nueva técnica es que es mínimamente invasiva. El método clásico para registrar el disparo eléctrico en el cerebro es incrustar físicamente o implantar electrodos en el tejido cerebral. Sin embargo, tal intrusión física podría dañar las neuronas,y solo puede detectar señales borrosas de un par de neuronas.
"Esta es hasta ahora una tecnología única en su tipo que podría detectar actividades que cambian milisegundos de neuronas individuales en el cerebro vivo. Por lo tanto, esta es, yo diría, la piedra angular de la investigación en neurociencia para una decodificación más precisa""señales cerebrales". El Dr. Tsia dijo que el equipo trabajaría para mejorar la capacidad del microscopio.
"Estamos trabajando para combinar aún más otras técnicas avanzadas de microscopía para lograr imágenes a una resolución más alta, una vista más amplia y más profunda en el cerebro en la neocorteza, que es de aproximadamente 1 milímetro. Esto nos permitirá explorar más profundamente en el cerebro para un mejory una comprensión más integral de las funciones del cerebro ", agregó.
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Materiales proporcionado por La Universidad de Hong Kong . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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