Nuevos avances en ecografía funcional para neurociencia
Columnas de dominancia ocular en la corteza visual de un primate no humano visualizadas mediante ecografía ultrarrápida. Crédito: Kevin Blaize, Institut de la Vision, París, Francia (Blaize et al., PNAS 2020).
Desde su introducción en 2011, la ecografía funcional (fUS) se está convirtiendo progresivamente en una modalidad predominante de neuroimagen. A partir de esta técnica, desarrollada por el equipo de Mickael Tanter (laboratorio de Física para la Medicina de París, Inserm/ESPCI París-PSL/PSL University/CNRS), ha surgido un campo de investigación en neurociencia que ahora está floreciendo rápidamente. Buena prueba de ello son tres artículos, publicados con pocos días de diferencia en revistas de alto impacto (dos publicaciones en PNAS, otra en Nature Communications), que reportan importantes avances científicos tanto en el aspecto fundamental del método como en las aplicaciones para la investigación preclínica. .
Dilucidar el origen de la señal medida en ultrasonido funcional durante la activación cerebral
Las imágenes de fUS mapean la actividad cerebral a través de la detección del flujo sanguíneo cerebral asociado con esta actividad neuronal. El equipo de Serge Charpak del Institut de la Vision (Inserm/Sorbonne Universit) ha estado estudiando durante varios años el acoplamiento neurovascular, es decir, los mecanismos celulares que unen la actividad neuronal y el flujo vascular a escalas microscópicas y mesoscópicas. En colaboración con Physics for Medicine Paris Laboratory y el laboratorio de Patrick Drew (Pennsylvania State University), el equipo ha estudiado la relación entre la señal de ultrasonido registrada en un solo voxel con la actividad neuronal dentro de ese mismo voxel, mediante el co-registro de fUS y Mediciones de microscopía bifotónica. Esto ha dado como resultado el establecimiento de funciones de transferencia, optimizadas mediante aprendizaje automático, que permiten predecir señales de fUS a partir de estímulos sensoriales. «La determinación de las funciones de transferencia que describen el acoplamiento neurovascular es esencial, ya que estas funciones podrían permitir mejorar el procesamiento de datos para imágenes humanas, por un lado, y por otro lado, podrían usarse para monitorear las alteraciones de las funciones cerebro-vasculares a lo largo del tiempo. «, dice Serge Charpak.
Mapas retinotópicos de la corteza visual de un primate no humano obtenidos mediante ecografía funcional. Crédito: Kevin Blaize, Institut de la Vision, París, Francia (Blaize et al., PNAS 2020).
Revelando una red de modo predeterminado en el cerebro del ratón
En un estudio publicado en PNAS, el equipo de Zsolt Lenkei del Instituto de Psiquiatría y Neurociencia de París y el laboratorio Physics for Medicine Paris han llevado a alumbra la existencia de una red neuronal, conocida en humanos como la red de modo predeterminado, pero que hasta ahora nunca se ha observado funcionando en ratones. Las neuronas de esta red se comunican entre sí en estado de reposo y se desactivan una vez que comienza una tarea. La función de esta red se ve afectada característicamente en trastornos cerebrales como la depresión, la enfermedad de Alzheimer, la esquizofrenia o el autismo. El estudio de la red de modo predeterminado en ratones, un importante modelo preclínico, podría permitir el desarrollo de nuevos fármacos terapéuticos utilizando un enfoque traslacional, en particular para el tratamiento de trastornos neuropsiquiátricos.
Mapeo preciso de la corteza visual en primates
El tercer estudio, también publicado en PNAS, asocia el laboratorio Physics for Medicine Paris con los equipos de Pierre Pouget en el Paris Brain Institute y Serge Picaud en el Institut de la Vision (Sorbonne Universit/Inserm/CNRS), y muestra mapas de activación de la corteza visual primaria en primates con una precisión inigualable. Las imágenes de fUS, realizadas en un primate en vigilia al que se presentaron estímulos visuales en una pantalla, revelan mapas de activación muy finos, así como estructuras corticales que llevan el dominio ocular entre los ojos izquierdo y derecho. La tecnología permite distinguir la activación diferencial de las capas de la corteza visual primaria en toda su profundidad. Este nivel de descripción sin precedentes demuestra nuevamente la exquisita resolución espacial y la sensibilidad de las imágenes de fUS en comparación con otras modalidades de neuroimagen existentes.
El laboratorio Physics for Medicine Paris desarrolla imágenes de ultrasonido funcional en estrecha colaboración con Iconeus, una empresa emergente creada por el laboratorio y financiada en 2016. «Vivimos tiempos fascinantes para la imagenología neurofuncional, ya que estamos viendo una comunidad real de investigadores, neurobiólogos, farmacólogos y médicos reunidos en torno a esta nueva modalidad», dice Mickael Tanter.
Con esta nueva transferencia industrial, la capacidad actual de Iconeus para difundir esta tecnología en todo el mundo ampliará rápidamente la gama de aplicaciones de la ecografía neurofuncional en la investigación y sin duda generará grandes descubrimientos sobre la comprensión fundamental de la cerebro, el cribado de moléculas terapéuticas, el desarrollo de innovadoras interfaces cerebro-máquina para el tratamiento de la discapacidad, así como, muy probablemente, nuevas herramientas de diagnóstico clínico.
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Seguimiento del flujo de pensamientos mediante ultrasonido ultrarrápido Más información: Aydin AK, Haselden WD, Goulam Houssen Y, Pouzat C, Rungta RL, Demen C, Tanter M, Drew PJ, Charpak S, Boido D. Funciones de transferencia que vinculan el calcio neural a la señal de ultrasonido funcional de un solo vóxel. Comunicaciones de la naturaleza 2020;11:2954. doi.org/10.1038/s41467-020-16774-9.
Blaize K, Gesnik M, Arcizet F, Ahnine H, Ferrari U, Deffieux T, Pouget P, Chavane F, Fink M, Sahel JA , Tanter M, Picaud S, Imagen de ultrasonido funcional de la corteza visual profunda en primates no humanos despiertos. PNAS 2020. doi.org/10.1073/pnas.1916787117.
Ferrier J, Tiran E, Deffieux T, Tanter M, Lenkei Z. Evidencia de imágenes funcionales para la desactivación y desconexión inducida por tareas de un modo predeterminado principal concentrador de red en el cerebro del ratón. PNAS 2020. doi.org/10.1073/pnas.1920475117. Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias , Nature Communications