Este mapa de la densidad de la corteza cerebral de un ratón muestra qué neuronas se activan cuando el animal explora de un nuevo entorno. La región iluminada en el centro (blanco y amarillo) representa las neuronas asociadas con los bigotes del ratón. Imagen: Laboratory of Brain Development and Repair de la Universidad Rockefeller.
Cuando se trata de medir la actividad cerebral, los científicos tienen herramientas que permiten observar con precisión una pequeña parte del cerebro (menos de un milímetro cúbico) o pueden echar “una mirada borrosa” sobre un área cerebral más grande.
Ahora, investigadores de la Universidad Rockefeller (EEUU) han descrito un nuevo método que combina lo mejor de ambas técnicas, esto es: es capaz de capturar una instantánea detallada de la actividad global del cerebro de un ratón.
"Queríamos desarrollar una técnica que mostrara el nivel de actividad con la precisión de una sola neurona, pero a escala de todo el cerebro", explica el autor del estudio, Nicolas Renier, estudiante postdoctoral en el laboratorio de Marc Tessier-Lavigne de la Universidad de Rockefeller.
La nueva tecnología, descrita en la revista Cell, toma una foto de todas las neuronas activas en el cerebro en un momento específico. El cerebro de ratón contiene decenas de millones de neuronas, y una imagen típica representa la actividad de aproximadamente un millón de neuronas, explican los investigadores. "El objetivo de la técnica es acelerar nuestra comprensión de cómo funciona el cerebro".
Por comparación
La tecnología no permite visualizar la actividad cerebral en vivo a través del tiempo, ya que con ella solo se pueden ver las neuronas que están activas en el momento específico en que se toma la instantánea.
Pero, a cambio, otorga una visión completa de las neuronas de la mayoría del cerebro. También permite comparar estas poblaciones neuronales activas entre diversas instantáneas, de una manera objetiva y robusta.
La herramienta funciona de la siguiente forma: Los investigadores exponen a un ratón a una situación que le provoca una actividad cerebral alterada (dándole una sustancia antipsicótica o frotándole los bigotes contra un objeto mientras está explorando algo o criando).
Tras una pausa, hacen la medición de la actividad neuronal del ratón. La pausa es importante, explica Renier, porque esta técnica mide la actividad neuronal indirectamente, a través de la codificación de proteínas de los genes de las neuronas, que se suele producir en alrededor de 30 minutos.
Luego, aplican una versión mejorada de un protocolo llamado iDISCO, desarrollado por Zhuhao Wu, un asociado postdoctoral del laboratorio Tessier-Lavigne, para visualizar el cerebro mediante microscopía óptica, con la que se toma la instantánea de todas las neuronas activas en 3D.
Para determinar donde está localizada una neurona activa dentro del cerebro, Christoph Kirst, del Centro de Rockefeller de Estudios de Física y Biología, desarrolló un software que detecta neuronas activas y que automáticamente asigna la instantánea a un atlas 3D del cerebro del ratón, generado por el Allen Brain Institute.
Aunque cada instantánea de la actividad cerebral incluye aproximadamente un millón de neuronas activas, los investigadores pueden tamizar a través de esa masa de datos, con relativa rapidez, si comparan una instantánea con otra instantánea, explica Renier.
Eliminando las neuronas activas en ambas imágenes, los investigadores dejan sólo las específicas de cada imagen, lo que permite establecer qué neuronas activas son únicas para cada estado.
Ahora, investigadores de la Universidad Rockefeller (EEUU) han descrito un nuevo método que combina lo mejor de ambas técnicas, esto es: es capaz de capturar una instantánea detallada de la actividad global del cerebro de un ratón.
"Queríamos desarrollar una técnica que mostrara el nivel de actividad con la precisión de una sola neurona, pero a escala de todo el cerebro", explica el autor del estudio, Nicolas Renier, estudiante postdoctoral en el laboratorio de Marc Tessier-Lavigne de la Universidad de Rockefeller.
La nueva tecnología, descrita en la revista Cell, toma una foto de todas las neuronas activas en el cerebro en un momento específico. El cerebro de ratón contiene decenas de millones de neuronas, y una imagen típica representa la actividad de aproximadamente un millón de neuronas, explican los investigadores. "El objetivo de la técnica es acelerar nuestra comprensión de cómo funciona el cerebro".
Por comparación
La tecnología no permite visualizar la actividad cerebral en vivo a través del tiempo, ya que con ella solo se pueden ver las neuronas que están activas en el momento específico en que se toma la instantánea.
Pero, a cambio, otorga una visión completa de las neuronas de la mayoría del cerebro. También permite comparar estas poblaciones neuronales activas entre diversas instantáneas, de una manera objetiva y robusta.
La herramienta funciona de la siguiente forma: Los investigadores exponen a un ratón a una situación que le provoca una actividad cerebral alterada (dándole una sustancia antipsicótica o frotándole los bigotes contra un objeto mientras está explorando algo o criando).
Tras una pausa, hacen la medición de la actividad neuronal del ratón. La pausa es importante, explica Renier, porque esta técnica mide la actividad neuronal indirectamente, a través de la codificación de proteínas de los genes de las neuronas, que se suele producir en alrededor de 30 minutos.
Luego, aplican una versión mejorada de un protocolo llamado iDISCO, desarrollado por Zhuhao Wu, un asociado postdoctoral del laboratorio Tessier-Lavigne, para visualizar el cerebro mediante microscopía óptica, con la que se toma la instantánea de todas las neuronas activas en 3D.
Para determinar donde está localizada una neurona activa dentro del cerebro, Christoph Kirst, del Centro de Rockefeller de Estudios de Física y Biología, desarrolló un software que detecta neuronas activas y que automáticamente asigna la instantánea a un atlas 3D del cerebro del ratón, generado por el Allen Brain Institute.
Aunque cada instantánea de la actividad cerebral incluye aproximadamente un millón de neuronas activas, los investigadores pueden tamizar a través de esa masa de datos, con relativa rapidez, si comparan una instantánea con otra instantánea, explica Renier.
Eliminando las neuronas activas en ambas imágenes, los investigadores dejan sólo las específicas de cada imagen, lo que permite establecer qué neuronas activas son únicas para cada estado.
Observar y probar cómo funciona el cerebro
El propósito principal de la herramienta, agrega Renier, es ayudar a los investigadores a generar hipótesis sobre cómo funciona el cerebro, que luego puedan ser probadas en otros experimentos.
Por ejemplo, con esta nueva técnica los científicos han observado que cuando un ratón adulto se encuentra con un cachorro, una región de su cerebro que se sabe se activa durante la crianza (el núcleo preóptico medial o MPO), se pone en marcha. Pero, también se observó que, después de que el MPO se activara, la actividad en la amígdala cortical, un área que procesa las respuestas aversivas, se redujo.
"Nuestra hipótesis", dice Renier, "es que las neuronas de la crianza frenan la actividad en la región de miedo, lo que puede suprimir las respuestas aversivas que los ratones pudieran tener hacia las crías". De hecho, los ratones agresivos con los cachorros tienden a mostrar una mayor actividad en la amígdala cortical.
Pero esta técnica también podría tener implicaciones más amplias, y no ceñirse solo a la observación de las áreas del cerebro del ratón activadas en diferentes situaciones. Podría ser utilizada para mapear la actividad del cerebro en respuesta a cualquier cambio biológico, como la propagación de un fármaco o de una enfermedad, e incluso para explorar cómo el cerebro toma decisiones. "Se puede usar la misma estrategia para mapear cualquier cosa que se desee en el cerebro del ratón", concluye Renier.
El propósito principal de la herramienta, agrega Renier, es ayudar a los investigadores a generar hipótesis sobre cómo funciona el cerebro, que luego puedan ser probadas en otros experimentos.
Por ejemplo, con esta nueva técnica los científicos han observado que cuando un ratón adulto se encuentra con un cachorro, una región de su cerebro que se sabe se activa durante la crianza (el núcleo preóptico medial o MPO), se pone en marcha. Pero, también se observó que, después de que el MPO se activara, la actividad en la amígdala cortical, un área que procesa las respuestas aversivas, se redujo.
"Nuestra hipótesis", dice Renier, "es que las neuronas de la crianza frenan la actividad en la región de miedo, lo que puede suprimir las respuestas aversivas que los ratones pudieran tener hacia las crías". De hecho, los ratones agresivos con los cachorros tienden a mostrar una mayor actividad en la amígdala cortical.
Pero esta técnica también podría tener implicaciones más amplias, y no ceñirse solo a la observación de las áreas del cerebro del ratón activadas en diferentes situaciones. Podría ser utilizada para mapear la actividad del cerebro en respuesta a cualquier cambio biológico, como la propagación de un fármaco o de una enfermedad, e incluso para explorar cómo el cerebro toma decisiones. "Se puede usar la misma estrategia para mapear cualquier cosa que se desee en el cerebro del ratón", concluye Renier.
Referencia bibliográfica:
Nicolas Renier, Eliza L. Adams, Christoph Kirst, Zhuhao Wu, Ricardo Azevedo, Johannes Kohl, Anita E. Autry, Lolahon Kadiri, Kannan Umadevi Venkataraju, Yu Zhou, Victoria X. Wang, Cheuk Y. Tang, Olav Olsen, Catherine Dulac, Pavel Osten, Marc Tessier-Lavigne. Mapping of Brain Activity by Automated Volume Analysis of Immediate Early Genes. Cell (2016). DOI: 10.1016/j.cell.2016.05.007.
Nicolas Renier, Eliza L. Adams, Christoph Kirst, Zhuhao Wu, Ricardo Azevedo, Johannes Kohl, Anita E. Autry, Lolahon Kadiri, Kannan Umadevi Venkataraju, Yu Zhou, Victoria X. Wang, Cheuk Y. Tang, Olav Olsen, Catherine Dulac, Pavel Osten, Marc Tessier-Lavigne. Mapping of Brain Activity by Automated Volume Analysis of Immediate Early Genes. Cell (2016). DOI: 10.1016/j.cell.2016.05.007.