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Los investigadores han desarrollado una nueva forma de obtener imágenes del cerebro con una resolución y velocidad sin precedentes. Con este enfoque, pueden localizar neuronas individuales, rastrear conexiones entre ellas y visualizar orgánulos dentro de las neuronas, sobre grandes volúmenes de tejido cerebral.

La nueva tecnología combina un método para expandir el tejido cerebral, lo que permite obtener imágenes a una resolución más alta, con una técnica rápida de microscopía tridimensional conocida como microscopía de celosía. En un artículo que apareció en Science el 17 de enero, los investigadores demostraron que podían usar estas técnicas para obtener imágenes del cerebro completo de la mosca de la fruta, así como de grandes secciones del cerebro del ratón, mucho más rápido de lo que anteriormente era posible. El equipo incluye investigadores del MIT, la Universidad de California en Berkeley, el Instituto Médico Howard Hughes y la Escuela de Medicina de Harvard / Boston Children’s Hospital.

Esta técnica permite a los investigadores mapear circuitos a gran escala dentro del cerebro al tiempo que ofrece una visión única de las funciones de las neuronas individuales, dice Edward Boyden, profesor de Neurotecnología de Y. Eva Tan, profesor asociado de ingeniería biológica y de ciencias cerebrales y cognitivas en MIT, y miembro del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT, el Laboratorio de Medios y el Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer.

“Muchos problemas en biología son multiescala”, dice Boyden. “Mediante el uso de microscopía de láminas de luz de red, junto con el proceso de microscopía de expansión, ahora podemos obtener imágenes a gran escala sin perder de vista la configuración a nanoescala de las biomoléculas”.

Boyden es uno de los autores principales del estudio, junto con Eric Betzig, miembro principal del Campus de Investigación Janelia y profesor de física y biología molecular y celular en la Universidad de Berkeley. Los autores principales del artículo son el postdoctorado del MIT Ruixuan Gao, el ex postdoctorado del MIT Shoh Asano y el profesor asistente de la Escuela de Medicina de Harvard Srigokul Upadhyayula.

Imágenes a gran escala

En 2015, el laboratorio de Boyden desarrolló una forma de generar imágenes de tejido cerebral de muy alta resolución utilizando un microscopio de luz ordinario. Su técnica se basa en expandir el tejido antes de obtener imágenes, lo que les permite obtener imágenes del tejido a una resolución de aproximadamente 60 nanómetros. Anteriormente, este tipo de imágenes solo se podía lograr con microscopios de alta resolución muy caros, conocidos como microscopios de superresolución.

En el nuevo estudio, Boyden se asoció con Betzig y sus colegas en el Campus de Investigación Janelia de HHMI para combinar la microscopía de expansión con la microscopía de celosía. Esta tecnología, desarrollada por Betzig hace varios años, tiene algunos rasgos clave que la hacen ideal para combinar con la microscopía de expansión: puede generar imágenes de gran tamaño rápidamente e induce mucho menos fotodaño que otras técnicas de microscopía fluorescente.

“La unión del microscopio de lámina de luz reticular con la microscopía de expansión es esencial para lograr la sensibilidad, resolución y escalabilidad de las imágenes que estamos haciendo”, dice Gao.

La obtención de imágenes de muestras de tejido expandido genera grandes cantidades de datos, hasta decenas de terabytes por muestra, por lo que los investigadores también tuvieron que idear técnicas de procesamiento de imágenes computacionales altamente paralelas que pudieran dividir los datos en fragmentos más pequeños, analizarlos y volver a unirlos. en un todo coherente.

En el artículo, los investigadores demostraron el poder de su nueva técnica al obtener imágenes de capas de neuronas en la corteza somatosensorial de ratones, después de expandir el volumen de tejido cuatro veces. Se centraron en un tipo de neurona conocida como células piramidales, una de las neuronas excitadoras más comunes que se encuentran en el sistema nervioso. Para localizar sinapsis o conexiones entre estas neuronas, etiquetaron las proteínas que se encuentran en las regiones presinápticas y postsinápticas de las células. Esto también les permitió comparar la densidad de sinapsis en diferentes partes de la corteza.

Los investigadores del MIT han desarrollado un método para realizar imágenes 3D a gran escala de tejido cerebral. Aquí, imaginan todo el cerebro de la mosca de la fruta.

Con esta técnica, es posible analizar millones de sinapsis en solo unos días.

“Contamos grupos de marcadores postsinápticos a través de la corteza, y vimos diferencias en la densidad sináptica en las diferentes capas de la corteza”, dice Gao. “Utilizando la microscopía electrónica, esto habría tomado años en completarse”.

Los investigadores también estudiaron patrones de mielinización axonal en diferentes neuronas. La mielina es una sustancia grasa que aísla a los axones y cuya interrupción es un sello distintivo de la esclerosis múltiple. Los investigadores pudieron calcular el grosor del recubrimiento de mielina en diferentes segmentos de axones, y midieron los espacios entre tramos de mielina, que son importantes porque ayudan a conducir señales eléctricas. Anteriormente, este tipo de rastreo de mielina habría requerido meses o años.

Esta tecnología también se puede utilizar para obtener imágenes de pequeños orgánulos dentro de las neuronas. En el nuevo artículo, los investigadores identificaron mitocondrias y lisosomas, y también midieron variaciones en las formas de estos orgánulos.

Análisis de circuitos

Los investigadores demostraron que esta técnica podría usarse para analizar el tejido cerebral de otros organismos. Lo usaron para obtener imágenes de todo el cerebro de la mosca de la fruta, que es del tamaño de una semilla de amapola y contiene alrededor de 100,000 neuronas. En un conjunto de experimentos, rastrearon un circuito olfativo que se extiende a través de varias regiones del cerebro, tomaron imágenes de todas las neuronas dopaminérgicas y contaron todas las sinapsis en el cerebro. Al comparar varios animales, también encontraron diferencias en los números y disposiciones de los botones sinápticos dentro del circuito olfativo de cada animal.

En el trabajo futuro, Boyden imagina que esta técnica podría usarse para rastrear circuitos que controlan la formación y el recuerdo de la memoria, para estudiar cómo la entrada sensorial conduce a un comportamiento específico, o para analizar cómo se acoplan las emociones a la toma de decisiones.

“Todas estas son preguntas a una escala que no puedes responder con las tecnologías clásicas”, dice.

El sistema también podría tener aplicaciones más allá de la neurociencia, dice Boyden. Su laboratorio planea trabajar con otros investigadores para estudiar cómo el VIH evade el sistema inmune, y la tecnología también podría adaptarse para estudiar cómo las células cancerosas interactúan con las células circundantes, incluidas las células inmunes.

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