Un microscopio desarrollado recientemente está proporcionando a los científicos una herramienta muy mejorada para estudiar cómo los trastornos neurológicos como la epilepsia y la enfermedad de Alzheimer afectan la comunicación neuronal. El microscopio está optimizado para realizar estudios mediante técnicas optogenéticas, una tecnología relativamente nueva que utiliza la luz para controlar y obtener imágenes de neuronas modificadas genéticamente con proteínas sensibles a la luz.

"Nuestro nuevo microscopio se puede utilizar para explorar los efectos de diferentes mutaciones genéticas en la función neuronal, "dijo Adam Cohen de la Universidad de Harvard, ESTADOS UNIDOS, y el líder del equipo de investigación que desarrolló el microscopio. "Algún día podría usarse para probar los efectos de fármacos candidatos en neuronas derivadas de personas con trastornos del sistema nervioso para tratar de identificar medicamentos para tratar enfermedades que no tienen tratamientos adecuados en este momento".

El nuevo microscopio, llamado luciérnaga, puede obtener imágenes de un área de 6 milímetros de diámetro, más de cien veces más grande que el campo de visión de la mayoría de los microscopios utilizados para optogenética. En lugar de estudiar la actividad eléctrica de una neurona, la gran área de imágenes hace posible activar los pulsos eléctricos que usan las neuronas para comunicarse y luego observar cómo esos pulsos viajan de una célula a otra a través de un gran circuito neuronal que contiene cientos de células. En el cerebro, cada neurona normalmente se conecta a otras mil neuronas, por lo que ver la red más amplia es importante para comprender cómo las enfermedades neurológicas afectan la comunicación neuronal.

En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Biomédica Express , Cohen y sus colegas informan cómo ensamblaron el nuevo microscopio por menos de $ 100, 000 utilizando componentes que están casi todos disponibles comercialmente. El microscopio no solo toma imágenes de un área grande, pero también recoge la luz de manera extremadamente eficiente. Esto proporciona la alta calidad de imagen y la alta velocidad necesarias para observar pulsos eléctricos neuronales que duran solo una milésima de segundo.

Usar la luz para ver el fuego de las neuronas

El nuevo microscopio es ideal para estudiar neuronas humanas cultivadas en el laboratorio. En la última decada, Los científicos han desarrollado modelos de células humanas para muchos trastornos del sistema nervioso. Estas células pueden modificarse genéticamente para contener proteínas sensibles a la luz que permiten a los científicos usar la luz para hacer que las neuronas se activen o para controlar variables como los niveles de neurotransmisores o la agregación de proteínas. Otras proteínas fluorescentes sensibles a la luz convierten los pulsos eléctricos invisibles que provienen de las neuronas en breves destellos de fluorescencia que pueden captarse y medirse.

Estas técnicas han hecho posible que los científicos estudien la entrada y salida de neuronas individuales, pero los microscopios disponibles comercialmente no están optimizados para utilizar completamente el potencial de los enfoques optogenéticos. Para llenar este vacío tecnológico, Los investigadores diseñaron el microscopio Firefly para estimular neuronas con un patrón complejo que contiene un millón de puntos de luz y luego registrar los breves destellos de fluorescencia de luz que corresponden a pulsos eléctricos disparados por las neuronas.

Cada píxel del patrón de luz puede estimular de forma independiente una proteína sensible a la luz. Dado que los píxeles pueden tener muchos colores distintos, Se pueden activar diferentes tipos de proteínas sensibles a la luz a la vez. El patrón de luz se puede programar para cubrir una neurona completa, estimular ciertas áreas de una neurona o usarse para iluminar múltiples células a la vez.

"Este sistema óptico proporciona un millón de entradas y un millón de salidas, permitiéndonos ver todo lo que sucede en estas culturas neuronales, "explicó Cohen.

Después de estimular las neuronas, el microscopio utiliza una cámara de imágenes a mil fotogramas por segundo para capturar la fluorescencia inducida por los pulsos eléctricos extremadamente cortos. "El sistema óptico debe ser muy eficiente para detectar buenas señales en un milisegundo, "Dijo Cohen." Se invirtió una gran cantidad de ingeniería en el desarrollo de ópticas que no solo pueden obtener imágenes de un área grande, sino que lo hacen con una eficiencia de recolección de luz muy alta ".

Para recolectar luz de manera eficiente en un área grande, el microscopio Firefly utiliza una lente de objetivo del tamaño de una lata de refresco en lugar de la lente del objetivo del tamaño de un pulgar que utilizan la mayoría de los microscopios. Los investigadores también utilizaron una configuración óptica que aumenta la cantidad de luz que estimula las neuronas para ayudar a garantizar que las neuronas emitan fluorescencia brillante al disparar.

"El único elemento personalizado en el microscopio es un pequeño prisma colocado entre las neuronas y la lente del objetivo, ", explicó Cohen." Este importante componente hace que la luz viaje a lo largo del mismo plano que las células en lugar de entrar en la muestra perpendicularmente. Esto evita que la luz ilumine el material por encima y por debajo de las celdas, disminución de la fluorescencia de fondo que dificultaría ver la fluorescencia que realmente proviene de las neuronas ".

Observando 85 neuronas a la vez

Los investigadores demostraron su nuevo microscopio usándolo para estimular y registrar ópticamente la fluorescencia de neuronas humanas cultivadas. "Las neuronas eran una gran maraña de espaguetis, ", dijo Cohen." Demostramos que era posible resolver 85 neuronas individuales al mismo tiempo en una medición que tomó alrededor de 30 segundos ".

Después de la estimulación y las imágenes iniciales, los investigadores pudieron encontrar 79 de esas 85 células por segunda vez. Esta capacidad es importante para los estudios que requieren que se obtengan imágenes de cada célula antes y después de la exposición a un fármaco. por ejemplo.

En una segunda demostración, los investigadores utilizaron el microscopio para mapear las ondas eléctricas que se propagan a través de las células cardíacas cultivadas. Esto mostró que el microscopio podría usarse para estudiar ritmos cardíacos anormales, que ocurren cuando las señales eléctricas que coordinan los latidos del corazón no funcionan correctamente.

"El sistema que desarrollamos está diseñado para observar una muestra relativamente plana, como células cultivadas, ", dijo Cohen." Ahora estamos desarrollando un sistema para realizar enfoques optogenéticos en tejido intacto, lo que nos permitiría ver cómo se comportan estas neuronas en su contexto nativo ".

Los investigadores también han iniciado una empresa de biotecnología llamada Q-State Biosciences que está utilizando una versión mejorada del microscopio para trabajar con empresas farmacéuticas en el descubrimiento de fármacos.