Nueva técnica captura la actividad de todo el cerebro en una instantánea
27 de mayo de 2016
Cuando se trata de medir la actividad cerebral, los científicos tienen herramientas que pueden tomar una mirada precisa a una pequeña parte del cerebro (menos de un milímetro cúbico), o una mirada borrosa en un área más grande. Ahora, investigadores de la Universidad Rockefeller han descrito una nueva técnica que combina lo mejor de ambos mundos, que captura una instantánea detallada de la actividad global en el cerebro del ratón. "Queríamos desarrollar una técnica que mostrase el nivel de actividad con la precisión de una sola neurona, pero a escala de todo el cerebro", dice el autor del estudio, Nicolas Renier, estudiante postdoctoral en el laboratorio de Marc Tessier-Lavigne , profesor del Laboratorio de desarrollo del cerebro y la reparación, y presidente de la Universidad Rockefeller.
El nuevo método, descrito en la revista Cell, toma una foto de todas las neuronas activas en el cerebro en un momento específico. El cerebro de ratón contiene decenas de millones de neuronas, y una imagen típica representa la actividad de aproximadamente un millón de neuronas, dice Tessier-Lavigne. "El objetivo de la técnica es acelerar nuestra comprensión de cómo funciona el cerebro."
Haciendo transparentes los cerebros
"Debido a la naturaleza de nuestra técnica, no podemos visualizar la actividad cerebral en vivo en el tiempo, sólo vemos las neuronas que están activas en el momento específico que tomamos la instantánea", dice Eliza Adams, un estudiante graduado en el laboratorio que cooperó con el autor del estudio. "Pero lo que ganamos en esta disyuntiva es una visión completa de la mayoría de las neuronas en el cerebro, y la capacidad de comparar estas poblaciones neuronales activas entre las instantáneas de una manera robusta e imparcial." Así es como funciona la herramienta: Los investigadores exponen al ratón a una situación que le provocaría una actividad cerebral alterada como tomar un medicamento anti-psicótico, cepillarse los bigotes contra un objeto mientras que lo exploran o criar un cachorro, entonces hacen la medición después de una pausa. La pausa es importante, explica Renier, porque la técnica mide la actividad neuronal indirectamente, a través de la traducción de genes neuronales en proteínas, que toma alrededor de 30 minutos que se produzca. Luego, los investigadores tratan el cerebro para hacerlo transparente al seguimiento de una versión mejorada de un protocolo llamado iDISCO, desarrollado por Zhuhao Wu, un investigador postdoctoral asociado en el Laboratorio Tessier-Lavigne y visualizarlo mediante microscopía de lámina de luz, que toma la instantánea de neuronas activas, todo en 3D. Para determinar dónde se encuentra una neurona activa dentro del cerebro, Christoph Kirst, un compañero en el Centro de Rockefeller de Estudios en Física y Biología, desarrolló un software para detectar las neuronas activas y para asignar automáticamente la instantánea a un atlas 3D del cerebro del ratón, generado por el Instituto del cerebro Allen.
Aunque cada instantánea de la actividad cerebral típicamente incluye aproximadamente un millón de neuronas activas, los investigadores pueden tamizar a través de esa masa de datos con relativa rapidez si se comparan una instantánea a otra instantánea, dice Renier. Mediante la eliminación de las neuronas que están activas en ambas imágenes, los investigadores dejan sólo las específicos de cada uno, lo que les permite ubicar lo que es único para cada estado.
Observar y probar cómo funciona el cerebro
El propósito principal de la herramienta, agrega, es ayudar a los investigadores a generar hipótesis acerca de cómo funciona el cerebro, que luego pueden ser probadas en otros experimentos. Por ejemplo, el uso de sus nuevas técnicas, los investigadores, en colaboración con Catherine Dulac y otros científicos de la Universidad de Harvard, observó que cuando un ratón adulto se encuentra con un cachorro, se enciende una región de su cerebro que está activa durante la llamada parental, el núcleo óptico pre-medial (MPO). Pero, también se observó que, después de que se activa la región MPO, hay menos actividad en la amígdala cortical, un área que procesa las respuestas aversivas, y que se encontró que está conectada directamente a la "región de crianza" MPO.
"Nuestra hipótesis", dice Renier, "es que las neuronas de la crianza parental pisan el freno de la actividad en la región de miedo, lo que puede suprimir las respuestas aversivas que los ratones puedan tener hacia las crías." De hecho, los ratones que están siendo agresivos hacia sus cachorros tienden a mostrar una mayor actividad en la amígdala cortical. Para probar esta idea, el siguiente paso sería bloquear la actividad de esta región del cerebro para ver si esto reduce la agresión en los ratones, dice Renier. La técnica también tiene implicaciones más amplias que simplemente mirar qué áreas del cerebro del ratón están activos en diferentes situaciones, añade. Podría ser utilizada para mapear la actividad del cerebro en respuesta a cualquier cambio biológico, tales como la propagación de un fármaco o la enfermedad, o incluso para explorar cómo el cerebro toma decisiones. "Se puede usar la misma estrategia para mapear cualquier cosa que se desee en el cerebro del ratón," dice Renier.
Cmunicado de prensa de la Universidad Rockefeller
Referencia:
Renier N et al. Mapping of Brain Activity by Automated Volume Analysis of Immediate Early Genes. Cell, Published Online May 26 2016. doi: 10.1016/j.cell.2016.05.007
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Mapa de densidad de corteza cerebral del ratón, muestra neuronas activas
cuando el ratón explora un nuevo entorno. La región central (blanco, amarillo)
representa neuronas asociadas con los bigotes. Crédito: Laboratorio de Desarrollo
y la reparación cerebral de la Universidad Rockefeller
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El nuevo método, descrito en la revista Cell, toma una foto de todas las neuronas activas en el cerebro en un momento específico. El cerebro de ratón contiene decenas de millones de neuronas, y una imagen típica representa la actividad de aproximadamente un millón de neuronas, dice Tessier-Lavigne. "El objetivo de la técnica es acelerar nuestra comprensión de cómo funciona el cerebro."
Haciendo transparentes los cerebros
"Debido a la naturaleza de nuestra técnica, no podemos visualizar la actividad cerebral en vivo en el tiempo, sólo vemos las neuronas que están activas en el momento específico que tomamos la instantánea", dice Eliza Adams, un estudiante graduado en el laboratorio que cooperó con el autor del estudio. "Pero lo que ganamos en esta disyuntiva es una visión completa de la mayoría de las neuronas en el cerebro, y la capacidad de comparar estas poblaciones neuronales activas entre las instantáneas de una manera robusta e imparcial." Así es como funciona la herramienta: Los investigadores exponen al ratón a una situación que le provocaría una actividad cerebral alterada como tomar un medicamento anti-psicótico, cepillarse los bigotes contra un objeto mientras que lo exploran o criar un cachorro, entonces hacen la medición después de una pausa. La pausa es importante, explica Renier, porque la técnica mide la actividad neuronal indirectamente, a través de la traducción de genes neuronales en proteínas, que toma alrededor de 30 minutos que se produzca. Luego, los investigadores tratan el cerebro para hacerlo transparente al seguimiento de una versión mejorada de un protocolo llamado iDISCO, desarrollado por Zhuhao Wu, un investigador postdoctoral asociado en el Laboratorio Tessier-Lavigne y visualizarlo mediante microscopía de lámina de luz, que toma la instantánea de neuronas activas, todo en 3D. Para determinar dónde se encuentra una neurona activa dentro del cerebro, Christoph Kirst, un compañero en el Centro de Rockefeller de Estudios en Física y Biología, desarrolló un software para detectar las neuronas activas y para asignar automáticamente la instantánea a un atlas 3D del cerebro del ratón, generado por el Instituto del cerebro Allen.
Aunque cada instantánea de la actividad cerebral típicamente incluye aproximadamente un millón de neuronas activas, los investigadores pueden tamizar a través de esa masa de datos con relativa rapidez si se comparan una instantánea a otra instantánea, dice Renier. Mediante la eliminación de las neuronas que están activas en ambas imágenes, los investigadores dejan sólo las específicos de cada uno, lo que les permite ubicar lo que es único para cada estado.
Observar y probar cómo funciona el cerebro
El propósito principal de la herramienta, agrega, es ayudar a los investigadores a generar hipótesis acerca de cómo funciona el cerebro, que luego pueden ser probadas en otros experimentos. Por ejemplo, el uso de sus nuevas técnicas, los investigadores, en colaboración con Catherine Dulac y otros científicos de la Universidad de Harvard, observó que cuando un ratón adulto se encuentra con un cachorro, se enciende una región de su cerebro que está activa durante la llamada parental, el núcleo óptico pre-medial (MPO). Pero, también se observó que, después de que se activa la región MPO, hay menos actividad en la amígdala cortical, un área que procesa las respuestas aversivas, y que se encontró que está conectada directamente a la "región de crianza" MPO.
"Nuestra hipótesis", dice Renier, "es que las neuronas de la crianza parental pisan el freno de la actividad en la región de miedo, lo que puede suprimir las respuestas aversivas que los ratones puedan tener hacia las crías." De hecho, los ratones que están siendo agresivos hacia sus cachorros tienden a mostrar una mayor actividad en la amígdala cortical. Para probar esta idea, el siguiente paso sería bloquear la actividad de esta región del cerebro para ver si esto reduce la agresión en los ratones, dice Renier. La técnica también tiene implicaciones más amplias que simplemente mirar qué áreas del cerebro del ratón están activos en diferentes situaciones, añade. Podría ser utilizada para mapear la actividad del cerebro en respuesta a cualquier cambio biológico, tales como la propagación de un fármaco o la enfermedad, o incluso para explorar cómo el cerebro toma decisiones. "Se puede usar la misma estrategia para mapear cualquier cosa que se desee en el cerebro del ratón," dice Renier.
Cmunicado de prensa de la Universidad Rockefeller
Referencia:
Renier N et al. Mapping of Brain Activity by Automated Volume Analysis of Immediate Early Genes. Cell, Published Online May 26 2016. doi: 10.1016/j.cell.2016.05.007
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