El nuevo método permite obtener imágenes a largo plazo de la actividad cerebral rápida en células individuales en lo profundo de la corteza

Resumen: Los investigadores han desarrollado un nuevo sensor que permite a los científicos obtener imágenes del cerebro sin perder señales durante un período de tiempo prolongado y más profundamente en el cerebro de lo que permite la tecnología actual.

fuente: Facultad de Medicina de Baylor

Mientras lee estas palabras, ciertas áreas de su cerebro muestran una onda de actividad eléctrica a una velocidad de milisegundos. Visualizar y medir esta actividad eléctrica es fundamental para comprender cómo el cerebro nos permite ver, movernos, actuar o leer estas palabras.

Sin embargo, las limitaciones tecnológicas están retrasando a los neurocientíficos para lograr su objetivo de mejorar la comprensión de cómo funciona el cerebro.

Los científicos del Baylor College of Medicine y las instituciones colaboradoras dicen en la revista célula Un nuevo sensor permite a los neurocientíficos obtener imágenes de la actividad cerebral sin perder señales, durante más tiempo y más profundamente en el cerebro de lo que era posible anteriormente.

Este trabajo allana el camino para nuevos descubrimientos sobre cómo funciona el cerebro en animales despiertos y activos, tanto en los que están sanos como en los que tienen enfermedades neurológicas.

El Santo Grial de la Neurociencia

«La actividad eléctrica del cerebro no solo es rápida, sino que también incluye una variedad de tipos de células que tienen diferentes roles en los cálculos cerebrales», dijo el autor correspondiente, el Dr. Francois Saint-Pierre, profesor asistente de neurología e investigador de McNair en Baylor. También es profesor asistente adjunto de ciencias eléctricas e informáticas en la Universidad de Rice.

«Ha sido un desafío descubrir cómo monitorear la actividad eléctrica a una velocidad de milisegundos en neuronas individuales de ciertos tipos de células en animales que están realizando una actividad. Poder hacer eso ha sido el Santo Grial de la neuroimagen».

Hay técnicas que existen para medir la actividad eléctrica en el cerebro. «Por ejemplo, los electrodos pueden registrar una actividad muy rápida, pero no pueden saber qué tipo de células están escuchando», dijo St-Pierre.

Los investigadores también utilizan proteínas fluorescentes que responden a los cambios de calcio asociados con la actividad eléctrica. Estos cambios en la fluorescencia pueden monitorearse con un microscopio de 2 fotones.

«Este tipo de sensor es excelente para determinar qué neuronas están activas y cuáles no. Sin embargo, son muy lentos. Miden los cambios de voltaje indirectamente, por lo que pierden muchas señales clave».

El objetivo de St-Pierre y sus colegas era combinar lo mejor de estas metodologías: desarrollar un sensor que pudiera monitorear la actividad en tipos de células específicos mientras capturaba señales cerebrales rápidas. «Logramos esto con una nueva generación de proteínas fluorescentes diseñadas llamadas indicadores de voltaje codificados genéticamente, o GEVI», dijo St-Pierre.

Los coautores, Zhuohe (Harry) Liu, Xiaoyu (Helen) Lu y Yueyang (Eric) Gou, diseñaron y utilizaron un sistema automatizado que brinda una forma mejor y más eficiente de diseñar y optimizar indicadores de voltaje fluorescente para microscopía de fotones, el método estándar para la obtención de imágenes no invasivas de tejido profundo en neurociencia.

«Usando este sistema, probamos miles de variables de puntero e identificamos JEDI-2P, que es más rápido, más brillante, sensible y estable a la luz que sus predecesores», dijo Liu, estudiante graduado en ingeniería eléctrica e informática en Rice. Laboratorio St. Pierre.

«Usando JEDI-2P, analizamos tres fallas importantes de los métodos anteriores», dijo Lu, un estudiante graduado del programa de Biología Física y Estructural y de Sistemas (SSPB) de Rice que trabaja en el laboratorio de Saint-Pierre.

«En primer lugar, nos permite seguir la actividad eléctrica en un animal vivo durante un máximo de 40 minutos en lugar de unos pocos minutos como máximo. En segundo lugar, podemos obtener imágenes de picos de actividad eléctrica con una resolución temporal de aproximadamente un milisegundo y, en tercer lugar, podemos obtener imágenes de células individuales más profundas en el cerebro porque nuestro indicador es brillante. Produce grandes señales en respuesta a la actividad cerebral”.

Hasta ahora, los investigadores se han limitado a observar la superficie del cerebro, «pero está claro que la mayor parte de la actividad cerebral no se limita a las primeras 50 micrones debajo de la superficie del cerebro», dijo St-Pierre. «Nuestra metodología permite a los investigadores monitorear de forma no invasiva las señales de voltaje en las capas más profundas de la corteza por primera vez», dijo Joe, ex miembro del St.

Los coautores de Baylor, el Dr. Andreas Tolias, Profesor de Neurociencia, y el Dr. Jacob Reimer, Profesor Asistente de Neurociencia, muestran que JEDI-2P puede informar la actividad eléctrica en ratones utilizando equipos de imagen disponibles en muchos laboratorios de neuroimagen.

El coautor Stéphane Dieudonné (École Normale Supérieure, Francia) demostró una detección profunda y ultrarrápida de señales eléctricas cerebrales en ratones al monitorear la fluorescencia de JEDI-2P usando un método de microscopía rápida llamado ULoVE.

Laboratorios de los coautores d. Catherine Frank (líder del grupo, Universidad de Tübingen, Alemania) y Tom Clanden (Universidad de Stanford) demostraron cómo JEDI-2P también se puede aplicar a la actividad fotoeléctrica en la retina de las moscas, respectivamente.

En conjunto, este esfuerzo de colaboración internacional ha demostrado que la nueva tecnología puede ser implementada fácilmente por grupos de neurociencia que trabajan en diferentes modelos animales y mediante el uso de diferentes técnicas de microscopía.

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«En 2014, hice una presentación en la reunión de la Sociedad de Neurociencias sobre la primera versión de este indicador y la gente puso los ojos en blanco. Creían que nunca sería posible obtener imágenes rápidas de voltaje con indicadores fluorescentes en animales despiertos debido al enorme desafío técnico de actividad de imágenes en una escala de tiempo, milisegundos», dijo Saint-Pierre. «Ocho años después, hemos logrado ese objetivo. Y todavía hay espacio para el desarrollo de indicadores: ¡no será otro JEDI!»

Sobre esta investigación sobre novedades en neurotecnología

autor: oficina de prensa
fuente: Facultad de Medicina de Baylor
Contacto: Oficina de Prensa – Facultad de Medicina de Baylor
imagen: La imagen es de dominio público.

búsqueda original: acceso abierto.
«Registro de voltaje continuo de tejido profundo utilizando un indicador rápido desarrollado para microscopía de fotonesEscrito por Zhuohe Liu et al. célula

Resumen

Registro de voltaje continuo de tejido profundo utilizando un indicador rápido desarrollado para microscopía de fotones

Reflejos

• JEDI-2P es un indicador de voltaje más rápido, brillante, sensible y ópticamente estable
• JEDI-2P fue diseñado utilizando una plataforma de detección multifactorial de dos fotones
• JEDI-2P permitió grabaciones de voltaje de dos fotones en explantes de retina, moscas y ratones
• JEDI-2P produjo grabaciones profundas (capa cortical 5) y largas (>40 min) en ratones

Resumen

Los indicadores de voltaje codificados genéticamente son herramientas emergentes para monitorear la dinámica de voltaje con especificidad de tipo de celda. Sin embargo, las indicaciones actuales permiten una gama limitada de aplicaciones debido al bajo rendimiento bajo microscopía de dos fotones, que es un método preferido para el registro de tejido profundo.

Para mejorar los índices, hemos desarrollado una plataforma multiparámetro de alto rendimiento para mejorar los índices del voltaje microscópico de fotones. Usando este sistema, identificamos JEDI-2P, que es un indicador más rápido, más brillante, más sensible y fotosensible que sus predecesores.

Mostramos que JEDI-2P puede informar respuestas evocadas por la luz en el centro de mosca de la fruta Interneuronas, dendritas y somas de células amacrinas de retina aislada de ratón. El JEDI-2P también puede registrar visualmente la dinámica de voltaje de las neuronas corticales individuales en ratones despiertos que actúan durante más de 30 minutos mediante exploración por resonancia y microscopía de acceso aleatorio ULoVE.

Finalmente, la grabación ULoVE de JEDI-2P puede detectar de manera sólida picos a profundidades superiores a 400 μm e informar correlaciones de voltaje en pares de neuronas.