La señal de la imagen óptica (arriba) coincide con la señal de una matriz de electrodos (abajo). Crédito:Daniel Palanker, Doctor., Universidad Stanford.
Los científicos tienen muchas formas de observar como neuronas individuales en un incendio cerebral, enviando señales eléctricas de uno a otro, pero todos comparten un problema básico. Cada método, si se trata de sondas eléctricas, agentes químicos o modificaciones genéticas, es de alguna manera más invasivo de lo que les gustaría a los neurocientíficos.
Eso puede cambiar pronto. Como informan los investigadores de Stanford el 12 de diciembre en Luz:ciencia y aplicaciones , han desarrollado una forma de ver que las células cerebrales envían señales eléctricas utilizando solo luz, algunas lentes y otros elementos ópticos, y una cámara de video rápida.
La clave del nuevo enfoque, dijo Daniel Palanker, profesor de oftalmología y autor principal del nuevo artículo, es que cuando las neuronas disparan señales eléctricas, cambian sutilmente de forma. Ese cambio de escala nanométrica se puede medir mediante técnicas ópticas.
Hasta aquí, Palanker, Tong Ling, un becario postdoctoral y el autor principal del nuevo artículo, y sus colegas han medido esos minúsculos cambios de forma en redes de células similares a neuronas en una placa de laboratorio. Ahora están adaptando sus métodos para estudiar neuronas en el cerebro de animales vivos. Si eso funciona, podría conducir a una forma más natural de estudiar al menos algunas partes del cerebro.
"Es todo natural, sin marcadores químicos, sin electrodos, nada. Son solo células como son, "dijo Palanker, quien es miembro de Stanford Bio-X y del Instituto de Neurociencias Wu Tsai.
La forma de las cosas
Suceden muchas cosas cuando las neuronas se activan. Por supuesto, existe la propia señal eléctrica, que puede ser recogido por electrodos. También hay cambios químicos, que se puede detectar mediante moléculas fluorescentes que se iluminan cuando se dispara una neurona.
Y luego está la forma. Los investigadores se dieron cuenta por primera vez de que las neuronas cambian de forma al estudiar las neuronas del cangrejo de río hace más de 40 años. En 1977, un equipo de investigadores de Stanford y UCSF hizo rebotar un láser en una neurona de cangrejo de río mientras se disparaba y mostró que su ancho cambiaba aproximadamente en el grosor de una hebra de ADN humano.
Sin embargo, traducir esos resultados en una forma de observar ópticamente las neuronas que se activan en el cerebro humano o de otros mamíferos enfrentó una serie de desafíos. Por una cosa, Las neuronas del cangrejo de río son de 10 a 100 veces más gruesas que las neuronas de los mamíferos. Por otro, la técnica que utilizó el grupo original, una forma simple de lo que se llama interferometría, solo puede medir cambios en un solo punto a la vez, lo que significa que podría usarse para estudiar solo un área pequeña de una celda a la vez, en lugar de obtener imágenes de la célula completa o incluso de una red de neuronas que se comunican entre sí en el cerebro.
El video muestra un campo de células disparando en una onda de izquierda a derecha. Los puntos negros son electrodos que registran señales eléctricas simultáneas. Crédito:Daniel Palanker, Doctor., Universidad Stanford.
Brillar una nueva luz sobre la activación de neuronas
Para resolver algunos de esos problemas, Abadejo, Palanker y sus colegas primero recurrieron a una variación en la interferometría estándar llamada microscopía de fase cuantitativa que permite a los investigadores trazar un mapa de paisajes microscópicos completos, por ejemplo, el paisaje de una red de células dispuestas sobre una placa de vidrio. La técnica es lo suficientemente simple como para que se pueda hacer haciendo brillar una luz láser a través de esas células, pasándolo por unos lentes, filtros y otros elementos ópticos y filtros, y grabar la salida con una cámara. Luego, esa imagen se puede procesar para crear un mapa topográfico de las celdas.
Abadejo, Palanker y el equipo razonaron que podrían usar la técnica para medir cuánto cambian de forma las neuronas cuando se activan. Para probar la idea, cultivaron una red de células parecidas a neuronas en una placa de vidrio y usaron una cámara de video para registrar lo que sucedía cuando las células, en realidad células derivadas de riñones modificadas para comportarse más como neuronas, se disparaban. Sincronizando el video con grabaciones eléctricas y promediando varios miles de ejemplos, el equipo creó una plantilla que describe cómo se mueven las células cuando se disparan:durante unos cuatro milisegundos, el grosor de la celda aumenta en aproximadamente tres nanómetros, un cambio de aproximadamente una centésima parte del 1 por ciento. Una vez que alcanza el espesor máximo, la celda tarda aproximadamente otra décima de segundo en encogerse.
Observando las células cerebrales en funcionamiento
En la fase inicial del experimento, el equipo necesitaba electrodos para saber cuándo se dispararon las células. En la segunda fase, los miembros del equipo demostraron que podían usar su plantilla para buscar e identificar el disparo de las células sin depender de los electrodos.
Todavía, Hay una serie de pasos a seguir antes de que el equipo pueda hacer que el método funcione en cerebros reales. Primero, el equipo deberá hacer que la técnica funcione en neuronas reales, a diferencia de las células similares a neuronas que han analizado hasta ahora. "Las neuronas son más quisquillosas, "Palanker dijo, pero el equipo ya ha comenzado a experimentar con ellos.
Un segundo desafío es que las neuronas en cerebros reales no están dispuestas en una sola capa en una placa de vidrio, al igual que las células que estudió el laboratorio de Palanker. En particular, el equipo no puede hacer brillar láser a través del cerebro y esperar ver que gran parte de cualquier cosa salga por el otro lado, y mucho menos datos útiles. Afortunadamente, Palanker dijo:las técnicas que usaron con luz transmitida funcionan de manera similar en luz reflejada, y la mayoría de las neuronas reflejan suficiente luz para que el enfoque funcione en teoría.
Existe una limitación que el equipo probablemente no podrá sortear, dado que la luz no penetra profundamente en el cerebro, el nuevo método solo podrá sondear las capas externas. Todavía, para proyectos que solo necesitan estudiar estas capas, la técnica podría dar a los investigadores un limpiador, forma más sencilla de estudiar el cerebro.
"Generalmente, los métodos invasivos afectan lo que hacen las células, por lo tanto, las mediciones son menos confiables, "Dijo Palanker." Aquí no le haces nada a las celdas. Básicamente, solo ves cómo se mueven ".
