Un nou microscop monitorizează activitatea electrică a creierului la milisecunde
Inginerii de la MIT au dezvoltat un microscop inovator capabil să imagineze activitatea electrică a neuronilor din creierul întregului organism, folosind modelul experimental Danio rerio (peștișorul zebrafish).
Neuronii din creier calculează prin generarea impulsurilor electrice, iar aceste semnale călătoresc în rețele neuronale extinse ce controlează funcții cerebrale, precum percepția senzorială, formarea memoriei și controlul mișcării.
Prin adaptarea unui microscop pentru imagistica rapidă și la o rată volumetrică ridicată, cercetătorii au reușit să urmărească activitatea electrică din creier pe o scală de milisecunde. Această metodă a scos la iveală modele de activitate neuronală activate în răspuns la lumina ultravioletă.
Ed Boyden, profesor la MIT, subliniază importanța înțelegerii interconexiunii neuronilor: „Dacă vrei să înțelegi cu adevărat creierul, trebuie să înțelegi cum toți neuronii lucrează împreună ca un întreg emergent.”
Boyden este profesor de inginerie biologică, arte și științe media și științe cognitive și membru al Institutului McGovern pentru Cercetarea Creierului de la MIT.
În cadrul studiului, publicat în revista Nature Methods, Boyden este autor senior, iar Zeguan Wang și Jie Zhang sunt autorii principali. Printre alți autori se numără Panagiotis Symvoulidis, Wei Guo, Davy Deng, Lige Zhang, Adam Amsterdam, Takato Honda, Steven Roche și Matthew Wilson.
O tehnică frecvent utilizată pentru a măsura activitatea neuronală este imagistica calciului, care se bazează pe fluxul de calciu în neuroni după ce aceștia emit un impuls electric. Totuși, această metodă nu este suficient de rapidă pentru a captura activitatea neuronală de tip spike.
„Imagingul calciului este în mod inerent foarte lent, deci vorbim despre imagistica activității pe o scară de secunde sau chiar minute. De obicei, aceasta este prea lentă pentru a observa multe dintre aceste activități neuronale rapide,” afirmă Zhang. „Neuronii calculează folosind activitate electrică, așa că prin imagistica tensiunii poți obține o observație directă.”
Cercetătorii au dezvoltat proteine denumite indicatori de tensiune codificați genetic, care fluorescează atunci când un neuron emite un impuls. Aceste proteine pot fi detectate cu ajutorul unui microscop de fluorescență.
Până acum, aceste proteine au fost utilizate pentru a imagistica populații mici de neuroni, concentrându-se de obicei pe o zonă localizată a creierului. Nu a existat o modalitate de a imagistica un volum mare, cum ar fi întregul creier, cu rezoluția necesară pentru a observa impulsurile electrice de la neuronii individuali.
Pentru a rezolva această problemă, echipa MIT a decis să modifice un microscop utilizat frecvent, cunoscut sub numele de microscop cu foaie de lumină. Acest tip de microscop ilustrează o felie subțire a unui eșantion cu un fascicul de laser. Imaginând multe straturi în secvență, tehnica poate genera imagini 3D ale unui volum mare. Cu toate acestea, scanarea unui volum întreg cu microscoapele anterioare dura prea mult pentru a captura impulsurile neuronale la rezoluție celulară singulară.
„Grupuri diferite de neuroni distribuiți în întregul creier coordonează activitatea în milisecunde pentru a genera o mulțime de comportamente și calcule cerebrale,” spune Wang. „Pentru a înțelege principiile, avem nevoie de tehnologia de a observa activitatea lor simultan, în întregul creier, astfel încât să nu pierdem neuroni importanți.”
În scopul accelerării procesului de imagistică, cercetătorii au crescut viteza de achiziție a imaginilor camerei microscopului și au îmbunătățit viteza de scanare utilizând o tehnică numită focalizare la distanță.
Cu această abordare, echipa a reușit să scaneze întregul creier al peștișorului zebrafish de 200 de ori pe secundă, sau o dată la fiecare cinci milisecunde.
Pentru a testa noul microscop, cercetătorii au inginerizat neuroni în peștișorii zebrafish larvali pentru a exprima un indicator de tensiune numit Positron2-Kv. Deși s-au așteptat ca indicatorul să fie prezent în fiecare neuron, acesta a generat semnale în neuroni distribuiți în întregul creier, aproximativ un sfert dintre neuroni prezentând semnale acceptabile. Cu toate acestea, acest lucru a fost suficient pentru a observa modele de activitate în întregul creier.
Cercetătorii au imaginat creierul în timp ce peștii se odihneau și au reușit să observe spike-uri electrice individuale, precum și explozii rapide de spike-uri. De asemenea, această tehnică a scos la iveală modele în modul în care creierul este activat în urma unui stimul, cum ar fi lumina ultravioletă. Imediat după stimul, activitatea a fost observată în tectumul optic, care primește și procesează informații vizuale din retină. Această activitate s-a propagat de la o parte la alta a unei părți a creierului numită tectum. Activitatea independentă de stimul a avut loc, de asemenea, în secvențe în seturi de neuroni din cerebel și din partea din spate a creierului.
Cercetătorii speră acum să crească procentul de neuroni pe care îi pot imagistica în întregul creier, precum și viteza și rezoluția microscopului. De asemenea, lucrează la extinderea utilizării acestei tehnici la alte modele experimentale, inclusiv la șoareci.
Această abordare ar putea oferi neuroscienților o nouă modalitate de a genera ipoteze despre ce se întâmplă în creier atunci când acesta se angajează în comportamente specifice sau despre cum activitatea cerebrală este legată de stări mentale, cum ar fi visarea cu ochii deschiși.
„O mare întrebare este pur și simplu să înțelegem cum neuronii colaborează ca o rețea. Și aceasta ar putea fi prima dată când poți face asta, pentru că poți imagistica tensiunea neuronilor distribuiți în întreaga rețea,” afirmă Boyden.
Cercetarea a fost finanțată de Institutele Naționale de Sănătate, inițiativa BRAIN, Fondul de Inovație al Institutului Picower, K. Lisa Yang, Ashar Aziz, Centrul K. Lisa Yang și Hock E. Tan pentru Terapie Moleculară în Neuroștiință la MIT, Centrul Hock E. Tan și K. Lisa Yang pentru Cercetarea Autismului, Centrul Alana pentru Sindrom Down, John Doerr, Jed McCaleb, James Fickel și Institutul Howard Hughes pentru Medicină.
