Imagen tridimensional del cerebro iluminado. Imagen: Cortesía del Deisseroth lab. Fuente: Universidad de Stanford.
Hasta ahora para obtener imágenes en alta resolución de los tejidos biológicos se requería seccionar el órgano correspondiente, lo que implicaba una pérdida de conectividad en aquellos casos que, como el cerebro, presentan conexiones neuronales de largo alcance.
Un equipo de la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford (California, EE UU) presenta esta semana en la revista Nature una solución: CLARITY, ‘claridad’ en castellano, un método para hacer que órganos completos e intactos sean ópticamente transparentes, informa SINC. En la nota de prensa que publica la Universidad de Stanford a este respecto, se explica que este método combina la neurociencia y la ingeniería química, y que con él ya se ha conseguido convertir en transparente el cerebro de un ratón.
El órgano, ya muerto, se pudo ver con toda su complejidad tridimensional y con todas sus estructuras moleculares y sus conexiones intactas. Además, pudo ser medido y testado, con luz visible y sustancias químicas.
El fin de una misteriosa caja negra
La disección podría haber pasado a la historia gracias a CLARITY: una nueva era de imaginería de órganos completos y sin cambios se abre ahora para la comprensión científica de un órgano fundamental pero aún no bien comprendido, afirman los investigadores.
El sistema podría asimismo ser utilizado con otros órganos y con otros animales. De hecho, los investigadores han conseguido aplicarlo con éxito también en el caso de un pez cebra.
Según el bioingeniero y psiquiatra Karl Deisseroth, director de la investigación y uno de los 15 expertos de la iniciativa "Brain Map" mencionada en el último discurso de "El Estado de la Nación" del presidente Obama, “estudiar sistemas intactos con este tipo de resolución molecular y de alcance global (que permite ver con gran detalle y al mismo tiempo a gran tamaño las regiones cerebrales) ha sido hasta ahora uno de los objetivos no alcanzados de la biología”.
Los investigadores señalan que CLARITY promete transformar el estudio de la anatomía cerebral y de la manera en que las enfermedades transforman dicha anatomía. Gracias a este sistema, señalan, el cerebro podría dejar de ser una “misteriosa caja negra” para convertirse en un órgano transparente.
Y es que, dado que permite preservar por completo la continuidad de las estructuras neuronales, este sistema ayudará no solo a trazar las conexiones neuronales individuales a gran distancia –por todo el cerebro- sino que además será una potente vía para captar información molecular con la que describir las funciones celulares, algo imposible de analizar con otros métodos.
Hasta ahora, la materia gris –repleta de múltiples conexiones- ha resultado un lugar inescrutable. Lo neurocientíficos han luchado desde siempre para comprender completamente sus circuitos y, con ello, entender cómo funciona el cerebro y también porqué, a veces, deja de funcionar correctamente.
Un equipo de la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford (California, EE UU) presenta esta semana en la revista Nature una solución: CLARITY, ‘claridad’ en castellano, un método para hacer que órganos completos e intactos sean ópticamente transparentes, informa SINC. En la nota de prensa que publica la Universidad de Stanford a este respecto, se explica que este método combina la neurociencia y la ingeniería química, y que con él ya se ha conseguido convertir en transparente el cerebro de un ratón.
El órgano, ya muerto, se pudo ver con toda su complejidad tridimensional y con todas sus estructuras moleculares y sus conexiones intactas. Además, pudo ser medido y testado, con luz visible y sustancias químicas.
El fin de una misteriosa caja negra
La disección podría haber pasado a la historia gracias a CLARITY: una nueva era de imaginería de órganos completos y sin cambios se abre ahora para la comprensión científica de un órgano fundamental pero aún no bien comprendido, afirman los investigadores.
El sistema podría asimismo ser utilizado con otros órganos y con otros animales. De hecho, los investigadores han conseguido aplicarlo con éxito también en el caso de un pez cebra.
Según el bioingeniero y psiquiatra Karl Deisseroth, director de la investigación y uno de los 15 expertos de la iniciativa "Brain Map" mencionada en el último discurso de "El Estado de la Nación" del presidente Obama, “estudiar sistemas intactos con este tipo de resolución molecular y de alcance global (que permite ver con gran detalle y al mismo tiempo a gran tamaño las regiones cerebrales) ha sido hasta ahora uno de los objetivos no alcanzados de la biología”.
Los investigadores señalan que CLARITY promete transformar el estudio de la anatomía cerebral y de la manera en que las enfermedades transforman dicha anatomía. Gracias a este sistema, señalan, el cerebro podría dejar de ser una “misteriosa caja negra” para convertirse en un órgano transparente.
Y es que, dado que permite preservar por completo la continuidad de las estructuras neuronales, este sistema ayudará no solo a trazar las conexiones neuronales individuales a gran distancia –por todo el cerebro- sino que además será una potente vía para captar información molecular con la que describir las funciones celulares, algo imposible de analizar con otros métodos.
Hasta ahora, la materia gris –repleta de múltiples conexiones- ha resultado un lugar inescrutable. Lo neurocientíficos han luchado desde siempre para comprender completamente sus circuitos y, con ello, entender cómo funciona el cerebro y también porqué, a veces, deja de funcionar correctamente.
Tejiendo una malla con moléculas
Para poder ver el cerebro de manera íntegra, los científicos usaron un hidrogel que, en principio, consiste en una suspensión acuosa de pequeñas moléculas individuales conocidas como monómeros de hidrogel. Pero al entrar en contacto con los tejidos esta sustancia cambia.
El cerebro postmortem fue sumergido en dicha solución, en la que fue impregnado por los monómeros. Tras calentarlo a una temperatura corporal, los monómeros comenzaron a unirse hasta formar largas cadenas moleculares –o polímeros-.
Al final generaron una malla que se extendió por todo el cerebro, aunque sin modificarlo. En general, los hidrogeles son hidrófilos, insolubles en agua, blandos, elásticos y en presencia de agua se hinchan, aumentando considerablemente su volumen, pero manteniendo su forma.
Con el tejido orgánico sostenido gracias a dicha malla, los investigadores pudieron extraer del cerebro estudiado, de manera rápida y firme, unas moléculas orgánicas conocidas como lípidos. Para ello aplicaron la electroferesis, que es una técnica de separación molecular.
Lo que quedó fue un cerebro transparente en 3D con todas sus estructuras importantes (neuronas, axones, dendritas, sinapsis, proteínas, ácidos nucleicos etc.) intactas y en su lugar original.
Luego, usando anticuerpos fluorescentes que se sabe se acoplan solo a proteínas específicas, los investigadores demostraron que se podían ‘encender’ estructuras concretas del cerebro (vinculadas a dichas proteínas), para verlas y analizarlas.
Secretos al descubierto
Así, pudieron trazar circuitos neuronales por todo el cerebro y explorar en profundidad matices de algunos circuitos locales. Pudieron ver las relaciones que se establecían entre células, e incluso investigar en estructuras subcelulares o en las relaciones químicas entre proteínas complejas, ácidos nucleicos y neurotransmisores.
Además, fueron capaces de generar videos del hipocampo, una zona cerebral implicada en aspectos tan importantes como el aprendizaje, la memoria y las emociones, según SINC.
Los autores destacan que CLARITY se podrá emplear con otros fines: para analizar muestras clínicas y proporcionar un medio para sondear los fundamentos estructurales y moleculares que están detrás de las funciones fisiológicas y de las enfermedades.
Para poder ver el cerebro de manera íntegra, los científicos usaron un hidrogel que, en principio, consiste en una suspensión acuosa de pequeñas moléculas individuales conocidas como monómeros de hidrogel. Pero al entrar en contacto con los tejidos esta sustancia cambia.
El cerebro postmortem fue sumergido en dicha solución, en la que fue impregnado por los monómeros. Tras calentarlo a una temperatura corporal, los monómeros comenzaron a unirse hasta formar largas cadenas moleculares –o polímeros-.
Al final generaron una malla que se extendió por todo el cerebro, aunque sin modificarlo. En general, los hidrogeles son hidrófilos, insolubles en agua, blandos, elásticos y en presencia de agua se hinchan, aumentando considerablemente su volumen, pero manteniendo su forma.
Con el tejido orgánico sostenido gracias a dicha malla, los investigadores pudieron extraer del cerebro estudiado, de manera rápida y firme, unas moléculas orgánicas conocidas como lípidos. Para ello aplicaron la electroferesis, que es una técnica de separación molecular.
Lo que quedó fue un cerebro transparente en 3D con todas sus estructuras importantes (neuronas, axones, dendritas, sinapsis, proteínas, ácidos nucleicos etc.) intactas y en su lugar original.
Luego, usando anticuerpos fluorescentes que se sabe se acoplan solo a proteínas específicas, los investigadores demostraron que se podían ‘encender’ estructuras concretas del cerebro (vinculadas a dichas proteínas), para verlas y analizarlas.
Secretos al descubierto
Así, pudieron trazar circuitos neuronales por todo el cerebro y explorar en profundidad matices de algunos circuitos locales. Pudieron ver las relaciones que se establecían entre células, e incluso investigar en estructuras subcelulares o en las relaciones químicas entre proteínas complejas, ácidos nucleicos y neurotransmisores.
Además, fueron capaces de generar videos del hipocampo, una zona cerebral implicada en aspectos tan importantes como el aprendizaje, la memoria y las emociones, según SINC.
Los autores destacan que CLARITY se podrá emplear con otros fines: para analizar muestras clínicas y proporcionar un medio para sondear los fundamentos estructurales y moleculares que están detrás de las funciones fisiológicas y de las enfermedades.
Referencia bibliográfica:
Kwanghun Chung, Jenelle Wallace, Sung-Yon Kim, Sandhiya Kalyanasundaram, Aaron S. Andalman, Thomas J. Davidson, Julie J. Mirzabekov, Kelly A. Zalocusky, Joanna Mattis, Aleksandra K. Denisin, Sally Pak, Hannah Bernstein, Charu Ramakrishnan, Logan Grosenick, Viviana Gradinaru, Karl Deisseroth. Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature (2013). DOI: 10.1038/nature12107.
Kwanghun Chung, Jenelle Wallace, Sung-Yon Kim, Sandhiya Kalyanasundaram, Aaron S. Andalman, Thomas J. Davidson, Julie J. Mirzabekov, Kelly A. Zalocusky, Joanna Mattis, Aleksandra K. Denisin, Sally Pak, Hannah Bernstein, Charu Ramakrishnan, Logan Grosenick, Viviana Gradinaru, Karl Deisseroth. Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature (2013). DOI: 10.1038/nature12107.