Un nuevo vuelo a través del cerebro de la mosca permite a cualquiera pasar a toda velocidad por las neuronas y visitar cualquiera de los 40 millones de sinapsis donde las neuronas tocan neuronas. Es una vista de súper resolución de las complejas conexiones de red en el cerebro del insecto que subyacen en los comportamientos que van desde la alimentación hasta el apareamiento.

Lo que no tiene precedentes sin embargo, es que este mapa tridimensional de todo el cerebro de la mosca, que muestra detalles tan pequeños como 60 nanómetros de ancho, fue capturado en menos de tres días.

Si bien el nivel de detalle no es tan bueno como el obtenido con un microscopio electrónico, Los esfuerzos para mapear completamente las neuronas y las sinapsis del cerebro de la mosca con EM han llevado 10 años y los esfuerzos de decenas de personas. El nuevo mapa se obtuvo mil veces más rápido combinando dos técnicas de vanguardia, microscopía de expansión y microscopía de láminas de luz de celosía.

Un mapa a escala fina de la red neuronal completa del cerebro —el cerebro humano, pero también el del ratón y la mosca— ha sido el sueño de los neurocientíficos durante décadas. Con eso, podrían rastrear las conexiones entre las neuronas para comprender cómo el cerebro toma decisiones. Y contando sinapsis, los neurocientíficos podrían juzgar la fuerza de las conexiones neuronales, como los responsables de la memoria.

La nueva y más rápida técnica de imágenes de todo el cerebro ayudará a los científicos a descubrir los circuitos neuronales de la mosca que, en última instancia, también son la base del funcionamiento del cerebro humano. Y funciona igualmente bien para mapear los circuitos neuronales en pequeños trozos del cerebro del ratón, y potencialmente el cerebro humano.

"Puedes pasar años y años obteniendo una imagen electromagnética del cerebro de una mosca, "dijo el premio Nobel Eric Betzig, quien inventó el microscopio de celosía de láminas de luz mientras estaba en el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes y ahora es profesor de biología celular y molecular y de física en la Universidad de California, Berkeley. "Puedo vernos llegando al punto de obtener imágenes de al menos 10 cerebros de mosca por día".

Tal velocidad y resolución permitirán a los científicos hacer nuevas preguntas, él dijo, como cómo los cerebros difieren entre hombres y mujeres, o cómo varían los circuitos cerebrales entre moscas del mismo tipo.

"Hemos cruzado un umbral en el rendimiento de las imágenes, "dijo Edward Boyden del Instituto de Tecnología de Massachusetts, quien inventó la microscopía de expansión hace cinco años. "Por eso estamos tan emocionados. No solo estamos escaneando cada vez más tejido cerebral, estamos escaneando cerebros enteros ".

Betzig, Boyden y sus equipos publicarán sus hallazgos esta semana en la revista. Ciencias .

Combinando microscopía de expansión y de hoja de luz

La nueva técnica de escaneo cerebral surgió después de que Boyden le pidiera ayuda a Betzig para combinar la microscopía de expansión con la última técnica de imágenes de alta velocidad de Betzig. microscopía de celosía de hoja de luz. La microscopía de expansión (ExM) implica la fijación de tejido y luego expandirlo como un globo mientras se mantienen inalteradas las posiciones relativas de las estructuras internas. Utiliza un gel de poliacrilamida como el de los pañales, que se hincha cuando se pasa de agua salada a agua pura. La microscopía de láminas de luz de celosía (LLSM) utiliza rayos de luz altamente enfocados para ensamblar rápidamente una imagen tridimensional de una muestra, una rebanada delgada a la vez.

"Cuando vinieron a mí por primera vez en 2016, Seguía siendo un escéptico; Estaba preocupado, primero, si podría expandir algo así y no deformarlo como un loco, ", Dijo Betzig." Y luego tuve miedo de que, mientras las muestras son transparentes, todavía deformarían la luz como una bolsa de canicas ".

Trabajando en el campus de Janelia, los equipos combinados, dirigido por los postdoctorados Ruixuan Gao y Shoh Asano del laboratorio del MIT de Boyden y Srigokul Upadhyayula de la Escuela de Medicina de Harvard, descubrió que después de expandir el tejido cerebral en un factor de cuatro, a un volumen 64 veces superior al normal, era casi tan claro como el agua y sin deformaciones.

"Me sorprendió lo perfecto que era el claro para hacerlo increíblemente uniforme desde el punto de vista óptico, " él dijo.

Como resultado, el microscopio de celosía de hoja de luz fue capaz de producir una imagen muy detallada y precisa del cerebro al nivel de sinapsis individuales:una resolución de aproximadamente 60 nanómetros, que es sólo una décima parte de la resolución de EM. La imagen multicolor tomó solo 62,5 horas.

Los equipos probaron la técnica ExLLSM no solo en todo el cerebro de la mosca de la fruta, sino también en una astilla de cerebro de ratón que abarca la corteza de un milímetro de espesor, con resultados similares. Pudieron contar todas las sinapsis en el cerebro de la mosca, por un total de unos 40 millones. El cerebro humano, con 80 mil millones de neuronas y quizás 7, 000 sinapsis por neurona, sería mucho más desafiante.

Betzig predice, sin embargo, que con las mejoras en la microscopía de expansión (algunos científicos han estirado el tejido 25 veces en cada dirección) las técnicas combinadas podrían lograr resultados casi tan buenos como la EM en términos de mapear todas las conexiones neuronales en el cerebro, un campo conocido como conectómica.

"Si pudiera hacer que funcione 10 veces o tal vez 15 veces la expansión, probablemente podría sacar muchos de los mercados emergentes del negocio, ", dijo." Podría ser lo suficientemente bueno para hacer el denso rastreo neuronal que puede hacer EM, pero mucho más rápido y más barato. Creo que necesitan cuidarse las espaldas. Aún no está ahí, pero en mi opinion el potencial está ahí ".

Microscopio fluorescente

Ambas técnicas de microscopio implican marcar proteínas en el tejido con marcadores fluorescentes. En microscopía de expansión, luego, el tejido se infunde con el gel y los marcadores se entrecruzan con la estructura del gel. Entonces toda la proteína se digiere, dejando lo que Betzig denomina un "fantasma fluorescente". Cambiar la concentración de sal del medio hace que el gel se hinche, arrastrando los marcadores con él. Se convierte principalmente en agua, lo que explica su claridad.

Boyden usó originalmente microscopía de luz confocal para obtener imágenes del tejido expandido, pero esperaba que LLSM generara imágenes de la muestra más rápido y con una resolución aún mejor, al mismo tiempo que se supera la pérdida completa de la señal de fluorescencia que se produce cuando se obtienen imágenes profundas de muestras gruesas por medios convencionales. LLSM escanea una hoja de luz tan estrecha como 400 nanómetros, plano a plano a través de la muestra, Imágenes de la fluorescencia de los marcadores en cada plano iluminado.

Cada escaneo completo, que asciende a casi 10 terabytes de datos, luego, la computadora lo ensambla en una imagen 3-D que se puede navegar como un videojuego. La asamblea, que requirió mucho tiempo, fue supervisada por los científicos informáticos de Janelia Stefan Saalfeld e Igor Pisarev. y luego analizado y visualizado por Upadhyayula, quien pronto abrirá un laboratorio de imágenes de última generación en UC Berkeley.

Al colocar marcadores fluorescentes en cualquiera de los 10, 000 proteínas en el cerebro, Debería ser posible mapear las membranas externas de las neuronas y otras células, las sinapsis donde una neurona se conecta con otra, los compartimentos internos de las células cerebrales, y mucho más.

Hay limitaciones sin embargo. Al igual que con cualquier tipo de microscopía de fluorescencia de superresolución, Betzig dijo:puede ser difícil decorar proteínas con suficientes bombillas fluorescentes para verlas claramente a alta resolución. Y dado que la microscopía de expansión requiere muchos pasos de procesamiento, todavía existe la posibilidad de que se introduzcan artefactos. Debido a esto, él dijo, "trabajamos muy duro para validar lo que hicimos, y otros harían bien en hacer lo mismo ".