Los neurocientíficos del MIT han desarrollado un nuevo sensor de imágenes por resonancia magnética (IRM) que les permite monitorear la actividad neuronal en las profundidades del cerebro mediante el seguimiento de los iones de calcio.

Debido a que los iones de calcio están directamente relacionados con la activación neuronal, a diferencia de los cambios en el flujo sanguíneo detectados por otros tipos de resonancia magnética, que proporcionan una señal indirecta:este nuevo tipo de detección podría permitir a los investigadores vincular funciones cerebrales específicas con su patrón de actividad neuronal, y determinar qué tan distantes regiones del cerebro se comunican entre sí durante determinadas tareas.

"Las concentraciones de iones de calcio están estrechamente relacionadas con los eventos de señalización en el sistema nervioso, "dice Alan Jasanoff, un profesor de ingeniería biológica del MIT, ciencias cerebrales y cognitivas, y ciencia e ingeniería nucleares, miembro asociado del Instituto McGovern de Investigación del Cerebro del MIT, y el autor principal del estudio. "Diseñamos una sonda con una arquitectura molecular que puede detectar cambios relativamente sutiles en el calcio extracelular que se correlacionan con la actividad neuronal".

En pruebas en ratas, los investigadores demostraron que su sensor de calcio puede detectar con precisión cambios en la actividad neuronal inducidos por estimulación química o eléctrica, en lo profundo de una parte del cerebro llamada estriado.

Los asociados de investigación del MIT Satoshi Okada y Benjamin Bartelle son los autores principales del estudio. que aparece en la edición del 30 de abril de Nanotecnología de la naturaleza . Otros autores incluyen al profesor de ciencias cognitivas y cerebrales Mriganka Sur, Investigadora asociada Nan Li, postdoctorado Vincent Breton-Provencher, ex postdoctorado Elisenda Rodríguez, Jiyoung Lee, estudiante de Wellesley College, y el estudiante de secundaria James Melican.

Seguimiento del calcio

Un pilar de la investigación en neurociencias, La resonancia magnética permite a los científicos identificar partes del cerebro que están activas durante tareas específicas. El tipo más utilizado, conocida como resonancia magnética funcional, mide el flujo sanguíneo en el cerebro como un marcador indirecto de la actividad neuronal. Jasanoff y sus colegas querían idear una forma de mapear patrones de actividad neuronal con especificidad y resolución que las técnicas de resonancia magnética basadas en el flujo sanguíneo no pueden lograr.

"Los métodos que pueden mapear la actividad cerebral en el tejido profundo se basan en cambios en el flujo sanguíneo, y esos están acoplados a la actividad neuronal a través de muchas vías fisiológicas diferentes, "Dice Jasanoff." Como resultado, la señal que ves al final a menudo es difícil de atribuir a una causa subyacente en particular ".

Flujo de iones de calcio, por otra parte, puede estar directamente relacionado con la actividad neuronal. Cuando una neurona dispara un impulso eléctrico, Los iones de calcio se precipitan hacia la célula. Durante aproximadamente una década, Los neurocientíficos han estado usando moléculas fluorescentes para marcar el calcio en el cerebro y obtener imágenes con microscopía tradicional. Esta técnica les permite rastrear con precisión la actividad neuronal, pero su uso se limita a áreas pequeñas del cerebro.

El equipo del MIT se propuso encontrar una forma de obtener imágenes de calcio mediante resonancia magnética, lo que permite analizar volúmenes de tejido mucho mayores. Para hacer eso, diseñaron un nuevo sensor que puede detectar cambios sutiles en las concentraciones de calcio fuera de las células y responder de una manera que se puede detectar con resonancia magnética.

El nuevo sensor consta de dos tipos de partículas que se agrupan en presencia de calcio. Una es una proteína que se une al calcio de forma natural llamada sinaptotagmina, y el otro es una nanopartícula de óxido de hierro magnético recubierta de un lípido que también puede unirse a la sinaptotagmina, pero solo cuando hay calcio presente.

La unión del calcio induce a estas partículas a agruparse, haciéndolos aparecer más oscuros en una imagen de resonancia magnética. Los altos niveles de calcio fuera de las neuronas se correlacionan con una baja actividad neuronal; cuando bajan las concentraciones de calcio, significa que las neuronas en esa área están disparando impulsos eléctricos.

Detectando actividad cerebral

Para probar los sensores, los investigadores los inyectaron en el cuerpo estriado de ratas, una región que participa en la planificación del movimiento y el aprendizaje de nuevos comportamientos. Luego les dieron a las ratas un estímulo químico que induce breves episodios de actividad neuronal, y encontró que el sensor de calcio reflejaba esta actividad.

También encontraron que el sensor captaba la actividad inducida por la estimulación eléctrica en una parte del cerebro involucrada en la recompensa.

La versión actual del sensor responde a los pocos segundos de la estimulación cerebral inicial, pero los investigadores están trabajando para acelerarlo. También están tratando de modificar el sensor para que pueda extenderse por una región más grande del cerebro y atravesar la barrera hematoencefálica. lo que permitiría entregar las partículas sin inyectarlas directamente en el sitio de prueba.

Con este tipo de sensor, Jasanoff espera mapear patrones de actividad neuronal con mayor precisión de la que ahora es posible. "Podría imaginarse midiendo la actividad del calcio en diferentes partes del cerebro y tratando de determinar, por ejemplo, cómo los diferentes tipos de estímulos sensoriales se codifican de diferentes maneras por el patrón espacial de actividad neuronal que inducen, " él dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.