Por primera vez, científicos del MIT logran mapear un cerebro completo a nivel celular y en tiempo real

Un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) desarrolló un microscopio de alta velocidad capaz de registrar la actividad eléctrica de neuronas distribuidas por todo el cerebro de un pez cebra completo, un avance que podría ayudar a explicar cómo redes neuronales enteras generan decisiones, emociones y otras funciones cerebrales, informó MIT News, el portal de noticias del instituto.

La nueva técnica permitió escanear el cerebro entero del modelo experimental Danio rerio 200 veces por segundo, es decir, una vez cada cinco milisegundos. Esa velocidad hizo posible seguir impulsos eléctricos individuales en tiempo real, neurona por neurona.

El trabajo fue publicado en la revista científica Nature Methods. El autor sénior del estudio es Ed Boyden, profesor Y. Eva Tan de neurotecnología en MIT, profesor de ingeniería biológica, artes y ciencias de los medios y ciencias del cerebro y cognitivas, además de integrante del Instituto McGovern de Investigación Cerebral, el Yang Tan Collective y el Instituto Koch de Investigación Oncológica Integrativa.

Medición de voltaje neuronal en tiempo real

La actividad cerebral depende de impulsos eléctricos que recorren las neuronas, células conectadas en redes extensas que participan en la percepción sensorial, la formación de memoria y el control del movimiento. El problema técnico era que las herramientas más usadas hasta ahora no permitían observar esa actividad con la rapidez necesaria en todo un cerebro.

Una de esas herramientas es la imagen de calcio, que mide la entrada de calcio en las neuronas después de que disparan un impulso eléctrico. Ese método sirve como aproximación indirecta de la actividad neuronal, pero su velocidad resulta insuficiente para capturar actividad neuronal rápida.

Jie Zhang, ex científico investigador del MIT, explicó que esa limitación impide ver muchas actividades neuronales rápidas. “La imagen de calcio es inherentemente muy lenta, así que estamos hablando de registrar actividad en el orden de segundos o incluso minutos. Normalmente, eso es demasiado lento para que podamos ver muchas de estas actividades neuronales de alta velocidad”, dijo.

Zhang añadió que las neuronas “calculan usando actividad eléctrica”, por lo que la imagen de voltaje —a diferencia del calcio— permite una observación directa de esa actividad. Para registrarla, los investigadores recurrieron a proteínas fluorescentes llamadas indicadores de voltaje codificados genéticamente, que pueden expresarse en neuronas y emiten fluorescencia cuando la célula genera un impulso.

En trabajos previos, esas proteínas se habían usado para observar poblaciones pequeñas de neuronas, por lo general concentradas en una zona localizada del cerebro. A estas alturas, ningún método había logrado combinar gran volumen de observación, escala de cerebro completo y resolución de milisegundos suficiente para detectar impulsos de neuronas individuales.

La adaptación del microscopio de hoja de luz

Para resolverlo, el equipo adaptó un microscopio de hoja de luz, una tecnología que ilumina una porción delgada de la muestra con una lámina de láser y construye imágenes tridimensionales al registrar muchas capas en secuencia. En su versión convencional, ese mismo instrumento presentaba una limitación: el barrido de un volumen completo tardaba demasiado para capturar impulsos neuronales a resolución de célula única.

El microscopio adaptado fue la respuesta a una necesidad de captura simultánea. Zeguan Wang, exbecario posdoctoral J. Douglas Tan y uno de los autores principales, explicó que distintos grupos de neuronas distribuidos por el cerebro se coordinan en escalas de milisegundos para producir conductas y cálculos cerebrales. “Para entender los principios, necesitamos la tecnología para observar su actividad al mismo tiempo, en todo el cerebro, para no perdernos ninguna neurona participante importante”, afirmó.

La mejora técnica tuvo dos componentes: un aumento en la velocidad de adquisición de imágenes de la cámara y una aceleración del escaneo mediante una técnica conocida como reenfoque remoto. Con esa combinación, el sistema alcanzó la frecuencia necesaria para seguir actividad eléctrica en un volumen cerebral completo.

Patrones cerebrales revelados por la técnica

Para probar el microscopio, los investigadores modificaron neuronas de larvas de pez cebra para que expresaran un indicador de voltaje llamado Positron2-Kv. Aunque el objetivo inicial era que apareciera en todas las neuronas, la señal resultó adecuada en cerca de una cuarta parte de ellas, una cobertura que aun así permitió detectar patrones distribuidos por el cerebro.

En estado de reposo, el equipo observó picos únicos de voltaje y ráfagas rápidas de picos. También registró cómo el cerebro respondía a un estímulo de luz ultravioleta.

La respuesta apareció primero en el tecto óptico, la región que recibe y procesa información visual de la retina. Desde allí, la actividad se propagó de un lado al otro del tectum, mientras que en el cerebelo y el rombencéfalo también surgieron secuencias de actividad no vinculadas al estímulo.

Boyden señaló que una de las grandes preguntas del campo es entender cómo trabajan juntas las neuronas como red. “Y esta podría ser la primera vez que se podría hacer eso, porque se puede registrar el voltaje de neuronas distribuidas por toda la red”, sostuvo.

Proyecciones e implicancias futuras

El equipo ahora busca aumentar el porcentaje de neuronas que puede observar en todo el cerebro y mejorar la velocidad y la resolución del microscopio. Los investigadores también trabajan en extender la técnica a otros modelos experimentales, incluidos ratones.

Los científicos, conforme al portal institucional, creen que este enfoque puede ofrecer una nueva forma de generar hipótesis sobre lo que ocurre en el cerebro durante conductas específicas o sobre cómo la actividad neuronal se vincula con estados mentales como el estado de ensoñación.