Nueva sonda de resonancia magnética puede revelar más del funcionamiento interno del cerebro

Usando una sonda novedosa para imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI), los ingenieros biológicos del MIT han ideado una forma de monitorear poblaciones individuales de neuronas y revelar cómo interactúan entre sí.

De manera similar a cómo los engranajes de un reloj interactúan de maneras específicas para girar las manecillas del reloj, diferentes partes del cerebro interactúan para realizar una variedad de tareas, como generar comportamiento o interpretar el mundo que nos rodea. La nueva sonda de resonancia magnética podría potencialmente permitir a los científicos mapear esas redes de interacciones.

«Con IRMf regular, vemos la acción de todos los engranajes a la vez. Pero con nuestra nueva técnica, podemos detectar engranajes individuales que se definen por su relación con los otros engranajes, y eso es fundamental para construir una imagen del mecanismo. del cerebro», dice Alan Jasanoff, profesor de ingeniería biológica, ciencias del cerebro y cognitivas, y ciencia e ingeniería nuclear del MIT.

Usando esta técnica, que implica dirigir genéticamente la sonda de resonancia magnética a poblaciones específicas de células en modelos animales, los investigadores pudieron identificar poblaciones neuronales involucradas en un circuito que responde a estímulos gratificantes. La nueva sonda de resonancia magnética también podría permitir estudios de muchos otros circuitos cerebrales, dicen los investigadores.

Jasanoff es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Neurociencia de la naturaleza. Los autores principales del artículo son recientemente MIT Ph.D. el destinatario Souparno Ghosh y el ex científico investigador del MIT Nan Li.

Rastreo de conexiones

Las imágenes de resonancia magnética funcional tradicionales miden los cambios en el flujo sanguíneo en el cerebro, como un indicador de la actividad neuronal. Cuando las neuronas reciben señales de otras neuronas, se desencadena una afluencia de calcio, lo que hace que se libere un gas difusible llamado óxido nítrico. El óxido nítrico actúa en parte como un vasodilatador que aumenta el flujo de sangre al área.

La obtención de imágenes de calcio directamente puede ofrecer una imagen más precisa de la actividad cerebral, pero ese tipo de imágenes generalmente requiere productos químicos fluorescentes y procedimientos invasivos. El equipo del MIT quería desarrollar un método que pudiera funcionar en todo el cerebro sin ese tipo de invasividad.

«Si queremos descubrir cómo funcionan las redes de células y los mecanismos de todo el cerebro, necesitamos algo que pueda detectarse en lo profundo del tejido y, preferiblemente, en todo el cerebro a la vez», dice Jasanoff. «La forma en que elegimos hacer eso en este estudio fue esencialmente secuestrar la base molecular de la resonancia magnética funcional».

Los investigadores crearon una sonda genética, entregada por virus, que codifica una proteína que envía una señal cada vez que la neurona está activa. Esta proteína, que los investigadores llamaron NOSTIC (óxido nítrico sintasa para detectar el contraste de la imagen), es una forma modificada de una enzima llamada óxido nítrico sintasa. La proteína NOSTIC puede detectar niveles elevados de calcio que surgen durante la actividad neural; luego genera óxido nítrico, lo que lleva a una señal de fMRI artificial que surge solo de las células que contienen NOSTIC.

La sonda es administrada por un virus que se inyecta en un sitio en particular, luego de lo cual viaja a lo largo de los axones de las neuronas que se conectan a ese sitio. De esa manera, los investigadores pueden etiquetar cada población neuronal que se alimenta de un lugar en particular.

«Cuando usamos este virus para entregar nuestra sonda de esta manera, hace que la sonda se exprese en las células que proporcionan información al lugar donde colocamos el virus», dice Jasanoff. «Luego, al realizar imágenes funcionales de esas células, podemos comenzar a medir qué hace que se produzca la entrada a esa región, o qué tipos de entrada llegan a esa región».

girando los engranajes

En el nuevo estudio, los investigadores usaron su sonda para etiquetar poblaciones de neuronas que se proyectan al cuerpo estriado, una región involucrada en la planificación del movimiento y la respuesta a la recompensa. En ratas, pudieron determinar qué poblaciones neuronales envían información al cuerpo estriado durante o inmediatamente después de un estímulo gratificante; en este caso, la estimulación cerebral profunda del hipotálamo lateral, un centro cerebral que está involucrado en el apetito y la motivación, entre otras funciones. .

Una pregunta que los investigadores han tenido sobre la estimulación cerebral profunda del hipotálamo lateral es qué tan amplios son los efectos. En este estudio, el equipo del MIT demostró que varias poblaciones neuronales, ubicadas en regiones que incluyen la corteza motora y la corteza entorrinal, que está involucrada en la memoria, envía información al cuerpo estriado luego de una estimulación cerebral profunda.

«No se trata simplemente de la entrada del sitio de la estimulación cerebral profunda o de las células que transportan la dopamina. Existen estos otros componentes, tanto a nivel distal como local, que dan forma a la respuesta, y podemos identificarlos debido al uso de esta sonda», dice Jasanoff.

Durante estos experimentos, las neuronas también generan señales regulares de resonancia magnética funcional, por lo que para distinguir las señales que provienen específicamente de las neuronas alteradas genéticamente, los investigadores realizan cada experimento dos veces: una vez con la sonda encendida y otra después del tratamiento con un fármaco que inhibe la sonda. Al medir la diferencia en la actividad de fMRI entre estas dos condiciones, pueden determinar cuánta actividad está presente específicamente en las células que contienen la sonda.

Los investigadores ahora esperan usar este enfoque, al que llaman hemogenética, para estudiar otras redes en el cerebro, comenzando con un esfuerzo por identificar algunas de las regiones que reciben información del cuerpo estriado luego de una estimulación cerebral profunda.

«Una de las cosas que es emocionante sobre el enfoque que estamos introduciendo es que puedes imaginar aplicar la misma herramienta en muchos sitios del cerebro y armar una red de engranajes entrelazados, que consisten en estas relaciones de entrada y salida», Jasanoff. dice. «Esto puede conducir a una perspectiva amplia sobre cómo funciona el cerebro como un todo integrado, a nivel de poblaciones neuronales».