Caltech desarrolla una forma de mapear circuitos cerebrales en tiempo real
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Un nuevo enfoque llamado neurofotónica integrada podría permitir a los investigadores rastrear la actividad de todas las neuronas que forman un circuito cerebral en particular. Crédito: Roukes et. Alabama.
Un nuevo enfoque llamado neurofotónica integrada podría permitir a los investigadores rastrear la actividad de todas las neuronas que forman un circuito cerebral en particular.
Para profundizar en su comprensión del cerebro, los neurocientíficos deben ser capaces de mapear con gran detalle los circuitos neuronales que son responsables de tareas como procesar información sensorial o formar nuevos recuerdos. Ahora, un equipo de investigadores de Caltech ha descrito un nuevo enfoque que puede permitir que la actividad de las miles o millones de neuronas dentro de un circuito cerebral particular se observe en tiempo real. El método novedoso, discutido en un artículo de “Perspectiva” publicado en la revista Neuron el 14 de octubre de 2020, tiene un potencial mucho mayor que cualquier enfoque actual, dicen los autores.
La nueva técnica, denominada "neurofotónica integrada", utiliza pequeñas matrices de microchips ópticos que pueden implantarse a cualquier profundidad dentro del cerebro, en combinación con indicadores moleculares fluorescentes y actuadores optogenéticos, para monitorear ópticamente las neuronas y controlar su actividad, respectivamente. Las matrices emiten rayos de luz a microescala para estimular las neuronas modificadas genéticamente que las rodean y al mismo tiempo registrar la actividad de estas células, revelando su función. Aunque el trabajo se realiza actualmente solo en modelos animales, algún día podría ayudar a desentrañar los circuitos en lo profundo del cerebro humano, dice Michael Roukes, investigador principal del artículo y profesor de Física, Física Aplicada y Bioingeniería Frank J. Roshek de Caltech.
“Grabación densa en profundidad, esa es la clave”, dice Roukes. “No podremos registrar toda la actividad del cerebro en el corto plazo. Pero, ¿podríamos centrarnos en algunas de sus importantes estructuras computacionales dentro de regiones específicas del cerebro? Esa es nuestra motivación ".
En los últimos años, los neurocientíficos han comenzado a utilizar la optogenética para estudiar grupos cada vez más grandes de neuronas en animales modelo, incluidos los roedores. En optogenética, las neuronas están diseñadas genéticamente para expresar un marcador de proteína particular, como la proteína verde fluorescente (GFP), cuando se excitan con una longitud de onda de luz específica. La presencia de GFP hace que la célula brille en verde bajo luz fluorescente, proporcionando un indicador visual de la actividad neuronal. Al fusionar moléculas sensoras con estos marcadores, los investigadores pueden diseñar neuronas que señalen su actividad local modulando esta fluorescencia. La optogenética resuelve algunos problemas inherentes a los estudios de neurociencia que se basan en electrodos implantados para medir la actividad eléctrica de las neuronas, que en promedio pueden medir de manera confiable solo una neurona debido a toda la actividad eléctrica en el cerebro.
Las técnicas ópticas actuales pueden obtener imágenes de la actividad de las neuronas solo cerca de la superficie del cerebro, pero la neurofotónica integrada podría desbloquear circuitos enterrados profundamente en el cerebro. Crédito: Roukes et. Alabama.
Pero los estudios optogenéticos actuales del cerebro están limitados por una limitación física significativa, dice Laurent Moreaux, científico investigador principal de Caltech y autor principal del artículo. El tejido cerebral dispersa la luz, lo que significa que la luz que brilla desde fuera del cerebro solo puede viajar distancias cortas dentro de él. Debido a esto, solo las regiones a menos de unos dos milímetros de la superficie del cerebro pueden examinarse ópticamente. Ésta es la razón por la que los circuitos cerebrales mejor estudiados suelen ser simples que transmiten información sensorial, como la corteza sensorial de un ratón; están ubicados cerca de la superficie. En resumen, en la actualidad, los métodos optogenéticos no pueden ofrecer información sobre los circuitos ubicados más profundamente en el cerebro, incluidos los involucrados en procesos cognitivos o de aprendizaje de orden superior.
La neurofotónica integrada, dicen Roukes y sus colegas, evita el problema. En la técnica, los elementos a microescala de un sistema de imágenes completo se implantan cerca de circuitos neuronales complejos ubicados en las profundidades del cerebro, en regiones como el hipocampo (que participa en la formación de la memoria), el cuerpo estriado (que controla la cognición) y otras estructuras fundamentales. en una resolución sin precedentes. Considere la tecnología similar de imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI), la técnica de escaneo que se usa actualmente para obtener imágenes de cerebros completos. Cada vóxel, o píxel tridimensional, en un escaneo de resonancia magnética funcional tiene típicamente un volumen de aproximadamente un milímetro cúbico y contiene aproximadamente 100,000 neuronas. Cada vóxel, por tanto, representa la actividad media de todas estas 100.000 células.
“El objetivo general de la neurofotónica integrada es registrar lo que hace cada neurona en esa colección de 100.000 en tiempo real”, dice Roukes.
El objetivo a largo plazo de Roukes es difundir la instrumentación avanzada de la neurofotónica integrada para permitir colaboraciones multiinstitucionales que serán pioneras en la investigación neurocientífica avanzada con esta nueva tecnología. Anteriormente, dice, este tipo de desarrollo de la neurotecnología se basaba principalmente en la investigación dirigida por un solo laboratorio o investigador. A partir de 2011, Roukes trabajó con otros cinco científicos y la Oficina de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca para poner en marcha lo que finalmente se convirtió en la Iniciativa US BRAIN (Investigación del cerebro mediante el avance de neurotecnologías innovadoras), lanzada durante la administración Obama. Su visión era llevar a la investigación de la neurociencia el tipo de asociaciones a gran escala que se ven en las ciencias físicas, Colaboración LIGO -Virgo para encontrar ondas gravitacionales. Ahora, dice Roukes, la neurofotónica integrada abre las puertas para ese trabajo en equipo de construcción de instrumentos
“Muchos de los componentes básicos [de un enfoque como el nuestro] han existido durante una década o más”, dice. “Pero, hasta hace poco, simplemente no existía la visión, la voluntad y los fondos disponibles para unirlos a todos y hacer realidad estas nuevas y poderosas herramientas para la neurociencia”.
El artículo que describe esta investigación se titula "Neurofotónica integrada: hacia un interrogatorio volumétrico denso de la actividad del circuito cerebral, en profundidad y en tiempo real". Otros coautores de Caltech incluyen a Wesley D. Sacher, ex becario postdoctoral del premio Kavli Nanocience Institute y ex becaria postdoctoral de Caltech Nicole J. Kubat. El trabajo, que involucró a colaboradores de 14 instituciones adicionales, fue financiado por la subvención de la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Kavli.
Reference: “Integrated Neurophotonics: Toward Dense Volumetric Interrogation of Brain Circuit Activity—at Depth and in Real Time” by Laurent C. Moreaux, Dimitri Yatsenko, Wesley D. Sacher, Jaebin Choi, Changhyuk Lee, Nicole J. Kubat, R. James Cotton, Edward S. Boyden, Michael Z. Lin, Lin Tian, Andreas S. Tolias, Joyce K.S. Poon, Kenneth L. Shepard and Michael L. Roukes, 14 October 2020, Neuron.
DOI: 10.1016/j.neuron.2020.09.043
CaltechAUTHORS: 20201014-111855866
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