Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) ha conseguido un avance sin precedentes al desarrollar un microscopio de alta velocidad capaz de registrar la actividad eléctrica de neuronas distribuidas a lo largo de todo el cerebro de un pez cebra. Este hito, reportado por MIT News, podría revolucionar la comprensión de cómo las redes neuronales generan decisiones, emociones y otras funciones cerebrales fundamentales.
La innovación tecnológica permitió escanear el cerebro completo del Danio rerio, el modelo experimental utilizado, a una velocidad de 200 veces por segundo, es decir, cada cinco milisegundos. Esta capacidad de procesamiento posibilitó seguir impulsos eléctricos individuales en tiempo real, neurona por neurona, algo que hasta ahora parecía imposible.
El estudio, cuyos detalles fueron publicados en la prestigiosa revista Nature Methods, tiene como autor principal al Dr. Ed Boyden, profesor Y. Eva Tan de neurotecnología en el MIT y miembro de varias instituciones de renombre, como el Instituto McGovern de Investigación Cerebral, el Yang Tan Collective y el Instituto Koch de Investigación Oncológica Integrativa.
Medición de voltaje neuronal en tiempo real
La actividad cerebral se basa en impulsos eléctricos que viajan a través de las neuronas, las cuales forman redes extensas involucradas en la percepción sensorial, la memoria y el control del movimiento. Hasta ahora, las herramientas disponibles no lograban observar esta actividad con la rapidez necesaria en un cerebro completo. La imagen de calcio, por ejemplo, mide la entrada de calcio en las neuronas tras un impulso, pero es un método indirecto y su velocidad resulta insuficiente para captar actividad neuronal rápida.
Jie Zhang, ex científico investigador del MIT, señaló las limitaciones de esta técnica:
“La imagen de calcio es inherentemente muy lenta, así que estamos hablando de registrar actividad en el orden de segundos o incluso minutos. Normalmente, eso es demasiado lento para que podamos ver muchas de estas actividades neuronales de alta velocidad”.
Zhang agregó que, dado que las neuronas “calculan usando actividad eléctrica”, la imagen de voltaje permite una observación directa de ese proceso. Para ello, los científicos emplearon indicadores de voltaje codificados genéticamente, proteínas fluorescentes que se iluminan cuando una neurona genera un impulso. En estudios previos, estas proteínas solo se habían usado para observar poblaciones pequeñas de neuronas, sin lograr combinar un gran volumen de observación con una escala de cerebro completo y una resolución de milisegundos.
Adaptación del microscopio de hoja de luz
Para superar este reto, el equipo modificó un microscopio de hoja de luz, que ilumina una porción delgada de la muestra con una lámina de láser para construir imágenes tridimensionales. En su versión convencional, el barrido de un volumen completo era demasiado lento para capturar impulsos a resolución de célula única.
Zeguan Wang, exbecario posdoctoral y uno de los autores principales, explicó la necesidad de esta adaptación:
“Distintos grupos de neuronas distribuidos por el cerebro se coordinan en escalas de milisegundos para producir conductas y cálculos cerebrales. Para entender los principios, necesitamos la tecnología para observar su actividad al mismo tiempo, en todo el cerebro, para no perdernos ninguna neurona participante importante”.
La mejora incluyó dos componentes clave: un aumento en la velocidad de adquisición de imágenes de la cámara y una aceleración del escaneo mediante reenfoque remoto, logrando así la frecuencia necesaria para seguir la actividad eléctrica en un volumen cerebral completo.
Patrones cerebrales revelados por la técnica
Para probar el microscopio, los investigadores modificaron neuronas de larvas de pez cebra para que expresaran un indicador de voltaje llamado Positron2-Kv. Aunque la señal fue óptima en aproximadamente una cuarta parte de las neuronas, la cobertura fue suficiente para detectar patrones distribuidos por todo el cerebro.
En estado de reposo, el equipo observó picos únicos de voltaje y ráfagas rápidas de picos. También registraron la respuesta del cerebro ante un estímulo de luz ultravioleta.
La reacción comenzó en el tecto óptico, la región que procesa información visual desde la retina. Desde allí, la actividad se propagó a través del tectum, mientras que en el cerebelo y el rombencéfalo también surgieron secuencias de actividad no vinculadas al estímulo. El Dr. Boyden destacó la relevancia del hallazgo:
“Una de las grandes preguntas del campo es entender cómo trabajan juntas las neuronas como red. Y esta podría ser la primera vez que se podría hacer eso, porque se puede registrar el voltaje de neuronas distribuidas por toda la red”.
Proyecciones e implicancias futuras
El equipo ahora planea aumentar el porcentaje de neuronas observables en todo el cerebro y mejorar la velocidad y resolución del microscopio. También trabajan en extender la técnica a otros modelos experimentales, como los ratones. Según el portal institucional, los científicos creen que este enfoque podría ofrecer una nueva vía para generar hipótesis sobre qué ocurre en el cerebro durante conductas específicas o sobre cómo la actividad neuronal se vincula con estados mentales como la ensoñación.
Fuente: Infobae