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Imágenes en 3D de la actividad neuronal del cerebro de animales vivos

Un sistema desarrollado en el MIT ayudará a comprender el procesamiento cerebral de la información sensorial que da lugar a nuestros comportamientos


Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), y de la Universidad de Viena han creado un sistema que desvela la actividad neuronal de los cerebros de animales vivos. La técnica, la primera que genera imágenes en 3D del cerebro completo, podría ayudar a comprender cómo procesan las redes neuronales la información sensorial que da lugar a nuestros comportamientos; así como a conocer mejor las bases biológicas de los trastornos cerebrales, con el fin de desarrollar nuevas terapias. Por Marta Lorenzo.




Caenorhabditis elegans. Imagen: PLOS ONE. Fuente: Wikpedia.
Caenorhabditis elegans. Imagen: PLOS ONE. Fuente: Wikpedia.
Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), y de la Universidad de Viena han creado un sistema que desvela la actividad neuronal de los cerebros de animales vivos.

La técnica, la primera que genera imágenes en 3D simultáneamente del cerebro completo, podría ayudar a comprender cómo procesan las redes neuronales la información sensorial que da lugar a nuestros comportamientos; así como a conocer mejor las bases biológicas de los trastornos cerebrales, con el fin de desarrollar nuevas terapias, informa el MIT.

Ya ha sido probada para registrar imágenes, de manera simultánea, de la actividad de todas las neuronas del gusano Caenorhabditis elegans, una especie de nematodo que ha sido un importante modelo de estudio para la biología desde los años 70 del siglo pasado.

Luz e interpretación

Poder registrar imágenes generales de las redes neuronales en funcionamiento es crucial, porque la actividad de una sola neurona no puede indicarnos el cálculo de información que está llevando a cabo el cerebro entero, explican los científicos.

Así, si se quiere conocer cómo la información de las sensaciones se integra y da lugar a acciones concretas, se tiene que visualizar el cerebro completo y en funcionamiento.

Hasta ahora, se había conseguido registrar los impulsos eléctricos de las neuronas (que permiten transmitir información entre ellas) usando proteínas fluorescentes que brillan cuando esos impulsos se producen; también se había explorado el cerebro con láser para producir imágenes en 3D de la actividad neuronal. Sin embargo, esta última tecnología precisa de demasiado tiempo para capturar una sola imagen.

Los investigadores querían lograr imágenes en 3D similares a las conseguidas con láser, pero acelerar el proceso de su registro. La finalidad era que se pudiera ver el impulso neuronal, que dura sólo unos milisegundos.

Para conseguirlo, crearon un microscopio basado en la tecnología de campo claro, que es una técnica que permite captar toda la luz desde el objetivo a analizar para formar una imagen contra un fondo brillante.

Con dicho microscopio, la luz emitida por la muestra (u objetivo) es enviada a través de un conjunto de lentes que refracta la luz en diferentes direcciones. Cada punto de esa muestra genera alrededor de 400 diferentes puntos de luz, que luego se pueden recombinar utilizando un algoritmo computacional –también creado por los investigadores- para recrear la estructura en tres dimensiones.

Esta es la primera vez que se aplica esta técnica a la obtención de imágenes de la actividad neuronal. Normalmente se usa, por ejemplo, en patología, para ver secciones de tejidos.

El C. elegans y sus 302 neuronas activas

Los investigadores utilizaron esta técnica para registrar imágenes de la actividad neuronal del gusano C. elegans, que es el único organismo del que se conoce todo el esquema de sus conexiones neuronales.

El C.elegans mide un milímetro y tiene 302 neuronas. Las imágenes mostraron como la actividad de éstas llevaba al gusano a realizar comportamientos naturales. También se observó la respuesta neuronal del C. elegans a estímulos sensoriales, como los olores.

Los investigadores trabajan ahora en mejorar la resolución que alcanza actualmente el microscopio, así como en acelerar su proceso de cálculo.

También planean combinar esta tecnología con la optogenética, una técnica que consiste en hacer incidir luz sobre las neuronas, para activarlas. De esta forma, se logra identificar con precisión qué circuitos neuronales incrementan o reducen ciertos comportamientos.

Software previo

El cerebro ya se había podido ver funcionando en 3D previamente, gracias, entre otros, al avance realizado en 2007 por informáticos de la Nanyang Technological University de Singapur.

Estos especialistas desarrollaron un software que permite la visualización en tres dimensiones y el procesado de datos de la actividad cerebral. En concreto, permite una visualización tridimensional del electroencefalograma.

Este sistema ayudaría también a comprender mejor la magnitud de las emociones que despiertan en los pacientes ciertos estímulos (por ejemplo, saber qué músicas provocan agresividad o calma), para desarrollar terapias especiales relacionadas con estímulos visuales, musicales u olfativos.

Referencia bibliográfica:

Robert Prevedel, Young-Gyu Yoon, Maximilian Hoffmann, Nikita Pak, Gordon Wetzstein, Saul Kato, Tina Schrödel, Ramesh Raskar, Manuel Zimmer, Edward S Boyden, Alipasha Vaziri. Simultaneous whole-animal 3D imaging of neuronal activity using light-field microscopy. Nature Methods (2014). DOI: 10.1038/nmeth.2964.

Lunes, 19 de Mayo 2014
Marta Lorenzo
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