Ver cómo trabaja un cerebro implica observar señales eléctricas que aparecen y desaparecen en cuestión de milisegundos mientras miles de neuronas distribuidas por regiones diferentes se comunican entre sí. Hasta ahora, capturar simultáneamente esa actividad con suficiente velocidad y detalle había sido uno de los grandes desafíos de la neurociencia.
Un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) acaba de desarrollar un sistema capaz de acercarse notablemente a ese objetivo. La nueva técnica permite registrar la actividad eléctrica de neuronas individuales distribuidas por gran parte del cerebro de larvas de pez cebra, generando hasta 200 volúmenes completos por segundo, es decir, una nueva exploración aproximadamente cada cinco milisegundos.
El trabajo, encabezado por Zeguan Wang junto con investigadores del McGovern Institute y otros centros del MIT, fue publicado en Nature Methods.
Un microscopio capaz de seguir la electricidad del cerebro
Muchas técnicas anteriores de neuroimagen utilizan indicadores de calcio para detectar indirectamente cuándo una neurona se activa. El problema es que estos cambios son relativamente lentos y pueden tardar cientos de milisegundos, mientras que las señales eléctricas reales del cerebro se producen mucho más rápido.
Los investigadores optaron por utilizar indicadores de voltaje codificados genéticamente, moléculas fluorescentes capaces de cambiar su brillo dependiendo del voltaje eléctrico de una neurona.
Para observarlos desarrollaron un microscopio de hoja de luz con exploración remota, denominado rsLSM, optimizado para capturar enormes cantidades de información a gran velocidad sin perder la resolución necesaria para distinguir células individuales.
El sistema consiguió explorar el cerebro del pez cebra a aproximadamente 200,8 imágenes tridimensionales por segundo, una velocidad suficiente para seguir fenómenos neuronales que ocurren en escalas de milisegundos.
Cada punto de color representa una neurona activa
Las espectaculares imágenes generadas por el experimento muestran pequeños puntos verdes y amarillos distribuidos por el cerebro. Cada uno corresponde a una neurona cuya actividad eléctrica está siendo registrada.
Para conseguirlo, los científicos modificaron genéticamente las neuronas de los peces para que produjeran un indicador fluorescente denominado Positron2-Kv. Finalmente pudieron obtener señales suficientemente claras de aproximadamente una cuarta parte de todas las neuronas cerebrales.
Eso supone registrar simultáneamente la actividad de decenas de miles de células en regiones diferentes del cerebro y observar cómo aparecen patrones coordinados cuando el animal recibe determinados estímulos.
Los experimentos revelaron, por ejemplo, secuencias de actividad provocadas por estímulos visuales en el tectum óptico, mientras que otras ráfagas espontáneas aparecieron distribuidas por el cerebelo y la médula.
¿Por qué utilizan peces cebra?
El pez cebra es especialmente útil en neurociencia porque durante su fase larvaria es pequeño y relativamente transparente, lo que permite que la luz atraviese sus tejidos y facilite la observación del cerebro.
Además, posee alrededor de 100.000 neuronas y presenta estructuras cerebrales con similitudes importantes respecto a las de otros vertebrados, incluidos los mamíferos.
Estas características permiten estudiar redes neuronales completas de una manera que actualmente resulta imposible en cerebros mucho más grandes y opacos.
El siguiente desafío será llegar a cerebros más complejos
Por ahora, la tecnología no permite observar de esta forma el cerebro humano ni siquiera un cerebro completo de mamífero. El tejido cerebral de animales superiores es considerablemente más grande y dispersa mucho más la luz, lo que complica realizar mediciones ópticas con esta resolución.
Aun así, el avance demuestra que es posible observar directamente la actividad eléctrica distribuida por gran parte del cerebro de un vertebrado con resolución celular y temporal de milisegundos.
Más que una simple imagen espectacular, la técnica abre la posibilidad de estudiar cómo grupos de neuronas ubicados en lugares diferentes se coordinan para transformar estímulos en movimientos, decisiones y comportamientos. En otras palabras, los investigadores están empezando a disponer de herramientas capaces de ver cómo un cerebro procesa información mientras está funcionando.
