Un microscopio cerebral en miniatura de código abierto
Este es probablemente el único invento que haremos en Moser Lab, así que será mejor que sea uno bueno, dice Edvard Moser, premio Nobel y codirector de Kavli Instituto de Neurociencia de Sistemas de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) . Aquí con el investigador de Kavli Weijian Zong, quien dirigió el proyecto de desarrollo, y May-Britt Moser, con quien codirige el instituto y comparte el Premio Nobel de Fisiología y Medicina. Crédito: Kavli Institute for Systems Neuroscience/NTNU
«Nuestro sueño era inventar una ventana al cerebro, para que pudiéramos ver lo que sucede adentro cuando pensamos, planificamos, sentimos y recordamos», dice la profesora May-Britt. Moser, describiendo conversaciones que ella y su antiguo colaborador, el profesor Edvard Moser, tuvieron como jóvenes estudiantes de psicología a principios de la década de 1990. Moser es directora fundadora del Centro de Computación Neural y codirectora del KavliInstitute for Systems Neuroscience en la Norwegian University of Science and Technology (NTNU), y premio Nobel, compartió con su socio de investigación, Edvard Moser, codirector del Kavli Institute for Neurociencia de Sistemas.
Hoy, Leif Erikson the Mouse es el primer paso en la realización de ese sueño. El ratón está equipado con una ventana en su cabeza. En la parte superior de la ventana hay 2,4 gramos de pura innovación tecnológica. El «Mini2P» portátil quizás se pueda describir mejor como un pequeño observatorio cortical, que registra imágenes en vivo de paisajes neuronales como nunca antes se había visto.
Informando en vivo desde el cerebro
Dentro del cerebro de Leif Erikson the Mouse, miles de neuronas trabajan juntas para resolver una tarea muy específica. Esta actividad es visible ya que algunas células comienzan a encenderse. Poco después, se encienden otras células.
El Mini2P puede grabar en vivo desde el área del cerebro responsable de las habilidades de navegación de Leif. Las células cerebrales parpadeantes que los investigadores ven en la pantalla, al mismo tiempo, permiten que el ratón encuentre su camino a través del suelo, suba una torre para escalar, hasta el techo de la torre, donde le esperan deliciosas galletas de crema de vainilla.
“Si queremos entender el comportamiento complejo, el animal debe tener la libertad de moverse y comportarse de una manera que le sea natural”, dice Edvard Moser. «Mini2P es la primera herramienta que nos permite estudiar la actividad de la red neuronal a alta resolución en animales que se comportan naturalmente».
Los grandes inventos vienen en paquetes pequeños
Los mecanismos básicos de Mini2P son no muy diferente de un microscopio de luz, o el ojo humano para el caso. La unidad más pequeña de luz se llama fotón. Mini2P utiliza dos y dos pequeños haces de luz de un láser para excitar y registrar las neuronas con precisión, en alta resolución.
«Al desarrollar el Mini2P, seguimos dos reglas en las que no estábamos dispuestos a ceder, » dice Weijian Zong. Zong es el primer autor de un nuevo artículo que describe la tecnología y es investigador en el Instituto Kavli.
«La primera regla era que cualquier mejora en el equipo no debía afectar el comportamiento natural del animal. Entonces, sabía que teníamos que perder peso para que el microscopio y su cable fueran lo más ligeros y flexibles posible», dijo. «La segunda regla era que no debemos comprometer el rendimiento del microscopio. Si queremos que los investigadores inviertan tiempo en una nueva herramienta, las características del miniscopio deben funcionar significativamente mejor que sus predecesores».
Una de varias brillantemente características de ingeniería del Mini2P es una pequeña lente ajustable eléctricamente. Mediante el uso de voltaje estático, Zong pudo manipular la curvatura de la lente sin provocar un aumento de la temperatura. Cambiar la curvatura de la lente activará Mini2P para cambiar el plano focal entre la superficie y las capas celulares más profundas de la corteza, lo que también permitirá grabaciones de estructuras tridimensionales del tejido cerebral.
Un gen tomado de las medusas hace que las células cerebrales brillen cuando conversan entre ellos.
La bioluminiscencia permite a los investigadores ver exactamente qué células participan en diferentes segmentos de la conversación. También pueden ver cómo la conversación neuronal da lugar a ideas que luego el ratón representa «en el mundo exterior».
Mini2P permite a los investigadores ver lo que sucede en el cerebro de un ratón mientras explora libremente su entorno. Crédito: Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas/Berre
Los investigadores también pueden codificar con colores las células cerebrales según los genes que expresan y las áreas cerebrales con las que se comunican. Esto permite a los investigadores saber qué tipos de células cerebrales deben colaborar para generar diferentes capacidades cognitivas.
Mini2P registra simultáneamente miles de células cerebrales. Puede seguir las mismas células cerebrales durante más de un mes y mantenerlas enfocadas incluso a través de las actividades más vigorosas, como saltos repetidos desde una torre de 22 centímetros de altura. Mini2P puede explorar diferentes áreas y funciones mentales en toda la corteza cerebral.
Los investigadores han probado Mini2P en múltiples regiones del cerebro, como el sistema de navegación, el centro de memoria y el área visual. Mediante el uso de una especie de técnica de colcha de retazos, puede mapear paisajes neuronales aún más grandes, como 10 000 células cerebrales a través de la corteza visual. Todas las mediciones se realizaron mientras el mouse se movía libremente y hacía lo que normalmente hace. Esto era simplemente imposible antes de Mini2P.
Enfrentar a Mini2P con las tecnologías existentes más cercanas
Los miniscopios de 1 fotón existen desde hace una década. Tienen varios problemas. La resolución es insuficiente, las imágenes pueden ser demasiado lentas, no puede cambiar el plano focal en el eje Z o no se pueden usar para la mayoría de las partes de la corteza que presentan una alta actividad y una alta densidad celular.
Mini2P permite grabar desde múltiples planos a lo largo del eje Z, en escalas que van desde subestructuras de células como ramas axonales, hasta mapas topográficos de diez mil células. La versión de sobremesa actual del microscopio de dos fotones pesa medio -ton y ocupa casi toda la habitación. El microscopio de mesa requiere que la cabeza del ratón se mantenga en su lugar, lo que restringe el movimiento natural del ratón. También reemplaza el acceso del mouse al mundo real con realidad virtual. Eso no se parece en nada a lo que experimentaría normalmente un mouse, lo que significa que su comportamiento probablemente tampoco sea natural.
Mini2P, por otro lado, pesa 2,4 gramos, con un láser súper flexible y un cable de recolección de luz. que permite que el mouse se mueva con la misma libertad y dinámica que lo haría sin llevar Mini2P en la cabeza.
Mini2P es de código abierto
«Creemos que Mini2P cambia las reglas del juego, y queremos compartirlo con neurocientíficos y laboratorios de todo el mundo», dice May-Britt Moser.
«La cantidad de datos de investigación recopilados de cada grabación también puede desempeñar un papel en la reducción del número de los animales utilizados en la investigación», dijo. La nueva herramienta también podría desempeñar un papel importante en la comprensión de las enfermedades cerebrales.
«La enfermedad de Alzheimer a menudo comienza con daño en la corteza entorrinal», dice Edvard Moser. «Sabemos que el Alzheimer causa déficits en la capacidad de navegar y en la memoria. Estas son funciones cerebrales que surgen de la colaboración conjunta de miles de células cerebrales».
«El Mini2P ofrece una forma de monitorear los cambios en la dinámica entre miles de células en ratones que se mueven libremente, utilizando cepas de ratones que son organismos modelo para estudiar la enfermedad de Alzheimer», explica. «La capacidad de etiquetar diferentes tipos de células también puede permitirnos identificar qué células son vulnerables a los cambios tempranos relacionados con la enfermedad de Alzheimer», dijo Edvard Moser.
Mini2P es una invención de código abierto disponible en el Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas de la NTNU en Trondheim. El plano, una lista de compras y videos instructivos están disponibles en GitHub. El instituto también ofrecerá talleres más adelante en el año.
La investigación fue publicada en Cell.
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Cómo las regiones CA1 del hipocampo izquierdo y derecho en el cerebro del ratón se comunican entre sí Más información: Edvard I. Moser, Imágenes de calcio de dos fotones a gran escala en movimiento libre ratones, Célula (2022). DOI: 10.1016/j.cell.2022.02.017. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00197-0
Github: github.com/kavli-ntnu/MINI2P_toolbox Información del diario: Cell