Un enfoque enfocado para obtener imágenes de la actividad neuronal en el cerebro
Usando un nuevo indicador de calcio que se acumula en los cuerpos celulares de las neuronas (recuadros a la derecha), los neurocientíficos del MIT pueden obtener imágenes con mayor precisión de la actividad neuronal. Los indicadores de calcio tradicionales (cuadros a la izquierda) pueden generar interferencias que desenfocan las imágenes. Crédito: Howard Gritton, Universidad de Boston
Cuando las neuronas disparan un impulso eléctrico, también experimentan una oleada de iones de calcio. Al medir esos picos, los investigadores pueden monitorear indirectamente la actividad de las neuronas, ayudándolos a estudiar el papel de las neuronas individuales en muchas funciones cerebrales diferentes.
Un inconveniente de esta técnica es la diafonía generada por los axones y las dendritas que se extienden desde las neuronas vecinas, lo que dificulta obtener una señal distintiva de la neurona que se está estudiando. Los ingenieros del MIT ahora han desarrollado una forma de superar ese problema mediante la creación de indicadores de calcio, o sensores, que se acumulan solo en el cuerpo de una neurona.
«La gente está usando indicadores de calcio para monitorear la actividad neuronal en muchas partes del cerebro», dice Edward Boyden, profesor de Y. Eva Tan en neurotecnología y profesor de ingeniería biológica y de ciencias del cerebro y cognitivas en el MIT. «Ahora pueden obtener mejores resultados, obteniendo registros neuronales más precisos que están menos contaminados por diafonía».
Para lograr esto, los investigadores fusionaron un indicador de calcio de uso común llamado GCaMP con un péptido corto que lo dirige a el cuerpo celular. La nueva molécula, que los investigadores llaman SomaGCaMP, se puede incorporar fácilmente a los flujos de trabajo existentes para la obtención de imágenes de calcio, dicen los investigadores.
Boyden es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Neuron. Los autores principales del artículo son el científico investigador Or Shemesh, el postdoctorado Changyang Linghu y el expostdoctorado Kiryl Piatkevich.
Enfoque molecular
El indicador de calcio GCaMP consiste en una proteína fluorescente unida a un calcio- proteína de unión llamada calmodulina y una proteína de unión a calmodulina llamada péptido M13. GCaMP emite fluorescencia cuando se une a los iones de calcio en el cerebro, lo que permite a los investigadores medir indirectamente la actividad de las neuronas.
«El calcio es fácil de obtener imágenes, porque va de una concentración muy baja dentro de la célula a una concentración muy alta cuando una neurona está activa», dice Boyden, quien también es miembro del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro, del Laboratorio de Medios y del Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer del MIT.
La forma más sencilla de detectar estas señales fluorescentes es con un tipo de imagen llamado microscopía de un fotón. Esta es una técnica relativamente económica que puede obtener imágenes de grandes muestras de cerebro a alta velocidad, pero la desventaja es que capta la diafonía entre las neuronas vecinas. GCaMP entra en todas las partes de una neurona, por lo que las señales de los axones de una neurona pueden aparecer como si vinieran del cuerpo celular de una vecina, lo que hace que la señal sea menos precisa.
Una técnica más costosa llamada La microscopía de dos fotones puede superar esto en parte al enfocar la luz muy de cerca en las neuronas individuales, pero este enfoque requiere un equipo especializado y también es más lento.
Crédito: Unsplash/CC0 Dominio público
El laboratorio de Boyden decidió adoptar un enfoque diferente , modificando el indicador en sí, en lugar del equipo de imagen.
«Pensamos, en lugar de enfocar la luz ópticamente, ¿qué pasaría si enfocáramos el indicador molecularmente?» él dice. «Mucha gente usa hardware, como microscopios de dos fotones, para limpiar las imágenes. Estamos tratando de construir una versión molecular de lo que otras personas hacen con el hardware».
En un artículo relacionado que se publicó el año pasado, Boyden y sus colegas utilizaron un enfoque similar para reducir la diafonía entre las sondas fluorescentes que reflejan directamente el voltaje de la membrana de las neuronas. Paralelamente, decidieron probar un enfoque similar con imágenes de calcio, que es una técnica mucho más utilizada.
Para dirigir GCaMP exclusivamente a los cuerpos celulares de las neuronas, los investigadores intentaron fusionar GCaMP con muchas proteínas diferentes. Exploraron dos tipos de candidatos: proteínas naturales que se sabe que se acumulan en el cuerpo celular y péptidos diseñados por humanos en colaboración con la profesora de biología del MIT Amy Keating, quien también es autora del artículo. Estas proteínas sintéticas son proteínas enrolladas, que tienen una estructura distintiva en la que múltiples hélices de las proteínas se enrollan juntas.
Menos diafonía
Los investigadores seleccionaron alrededor de 30 candidatos en neuronas cultivadas en platos de laboratorio, y luego eligió dos, una bobina en espiral artificial y una prueba de péptido natural en animales. Trabajando con Misha Ahrens, que estudia el pez cebra en el Campus de Investigación de Janelia, descubrieron que ambas proteínas ofrecían mejoras significativas con respecto a la versión original de GCaMP. La relación señal-ruido, una medida de la fuerza de la señal en comparación con la actividad de fondo, aumentó y la actividad entre las neuronas adyacentes mostró una correlación reducida.
En estudios con ratones, realizados en el laboratorio de Xue Han en Boston University, los investigadores también encontraron que los nuevos indicadores reducían las correlaciones entre la actividad de las neuronas vecinas. Estudios adicionales con un microscopio en miniatura (llamado microendoscopio), realizados en el laboratorio de Kay Tye en el Instituto Salk de Estudios Biológicos, revelaron un aumento significativo en la relación señal-ruido con los nuevos indicadores.
«Nuestro nuevo indicador hace que las señales sean más precisas. Esto sugiere que las señales que las personas miden con GCaMP regular podrían incluir diafonía», dice Boyden. «Existe la posibilidad de una sincronía artificial entre las células».
En todos los estudios con animales, encontraron que la proteína artificial en espiral producía una señal más brillante que el péptido natural que probaron. Boyden dice que no está claro por qué las proteínas de bobina enrollada funcionan tan bien, pero una posibilidad es que se unan entre sí, lo que hace que sea menos probable que viajen muy lejos dentro de la célula.
Boyden espera usar la nueva moléculas para tratar de obtener imágenes de los cerebros completos de animales pequeños como gusanos y peces, y su laboratorio también está poniendo los nuevos indicadores a disposición de cualquier investigador que quiera usarlos.
«Debería ser muy fácil implementar y, de hecho, muchos grupos ya lo están usando», dice Boyden. «Pueden usar los microscopios regulares que ya están usando para obtener imágenes de calcio, pero en lugar de usar la molécula GCaMP regular, pueden sustituir nuestra nueva versión».
Explore más
Las nuevas herramientas mejorarán la especificidad de las imágenes en el cerebro del ratón Información de la revista: Neuron
Proporcionado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts Cita : Un enfoque enfocado para obtener imágenes de la actividad neuronal en el cerebro (26 de junio de 2020) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-06-focused-approach-imaging-neural-brain.html Este documento es sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.