Pequeña herramienta implantable para obtener imágenes de lámina de luz de la actividad cerebral

Imagen de microscopio óptico de los vástagos implantables (paso de 141 micras) de una sonda neural de lámina de luz. La luz es emitida por rejillas nanofotónicas en los vástagos para formar láminas de luz. Crédito: Sacher et al., doi 10.1117/1.NPh.8.2.025003.

Las herramientas que permiten a los neurocientíficos registrar y cuantificar la actividad funcional dentro del cerebro vivo tienen una gran demanda. Tradicionalmente, los investigadores han utilizado técnicas como la resonancia magnética funcional, pero este método no puede registrar la actividad neuronal con alta resolución espacial o en sujetos en movimiento. En los últimos años, una tecnología llamada optogenética ha demostrado un éxito considerable en el registro de la actividad neuronal de los animales en tiempo real con resolución de una sola neurona. Las herramientas optogenéticas utilizan la luz para controlar las neuronas y registrar señales en tejidos modificados genéticamente para expresar proteínas fluorescentes y sensibles a la luz. Sin embargo, las tecnologías existentes para obtener imágenes de las señales de luz del cerebro tienen inconvenientes en cuanto a su tamaño, velocidad de obtención de imágenes o contraste que limitan sus aplicaciones en la neurociencia experimental.

Una tecnología llamada imágenes de fluorescencia de hoja de luz se muestra prometedora para obtener imágenes de la actividad cerebral en 3D con alta velocidad y contraste (superando múltiples limitaciones de otras tecnologías de imágenes). En esta técnica, una lámina delgada de luz láser se dirige a través de una región de interés del tejido cerebral y los indicadores de actividad fluorescente dentro de los tejidos cerebrales responden emitiendo señales de fluorescencia que los microscopios pueden detectar. Escanear una hoja de luz en el tejido permite obtener imágenes volumétricas de alta velocidad y alto contraste de la actividad cerebral.

Actualmente, usar imágenes cerebrales de fluorescencia de hoja de luz con organismos no transparentes (como un ratón) es difícil porque del tamaño del aparato necesario. Para hacer factibles los experimentos con animales no transparentes y, en el futuro, con animales que se mueven libremente, los investigadores primero deberán miniaturizar muchos de los componentes.

Un componente clave para la miniaturización es el propio generador de láminas de luz, que debe insertarse en el cerebro y, por lo tanto, debe ser lo más pequeño posible para evitar desplazar demasiado tejido cerebral. En un nuevo estudio publicado en Neurophotonics, un equipo internacional de investigadores del Instituto de Tecnología de California (EE. UU.), la Universidad de Toronto (Canadá), la Red de Salud Universitaria (Canadá), el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras (Alemania) y Advanced Micro Foundry (Singapur) desarrolló un generador de láminas de luz en miniatura, o una sonda neuronal fotónica, que se puede implantar en el cerebro de un animal vivo.

Los investigadores utilizaron tecnología nanofotónica para crear sondas neuronales fotónicas ultrafinas basadas en silicio. que emiten múltiples láminas delgadas de luz direccionables con espesores