Un microscopio cerebral en miniatura de código abierto

«Nuestro sueño era inventar una ventana al cerebro, para que pudiéramos ver lo que sucede dentro cuando pensamos, planificamos, sentimos y recordamos», dice la profesora May-Britt Moser, describiendo conversaciones entre ella y su colaborador a largo plazo, el profesor. Edvard Moser tenía como jóvenes estudiantes de psicología a principios de la década de 1990. Moser es directora fundadora del Centro de Cómputo Neural y codirectora del Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU), y premio Nobel, compartido con su socio de investigación, Edvard Moser, codirector de la Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas.

Hoy, Leif Erikson the Mouse es el primer paso en la realización de ese sueño. El ratón está equipado con una ventana en su cabeza. En la parte superior de la ventana hay 2,4 gramos de pura innovación tecnológica. El «Mini2P» portátil quizás pueda describirse mejor como un pequeño observatorio cortical, que registra imágenes en vivo de paisajes neuronales como nunca antes se había visto.

Reportando en vivo desde el cerebro

Dentro del cerebro de Leif Erikson the Mouse, miles de neuronas trabajan juntas para resolver una tarea muy específica. Esta actividad es visible ya que algunas células comienzan a encenderse. Poco después, otras células se iluminan.

El Mini2P puede grabar en vivo desde el área del cerebro responsable de las habilidades de navegación de Leif. Las células cerebrales parpadeantes que los investigadores ven en la pantalla, al mismo tiempo, permiten que el ratón encuentre su camino a través del piso, suba una torre para escalar, hasta el techo de la torre, donde le esperan deliciosas galletas de crema de vainilla.

«Si queremos comprender el comportamiento complejo, el animal debe tener la libertad de moverse y comportarse de una manera que le sea natural», dice Edvard Moser. «El Mini2P es la primera herramienta que nos permite estudiar la actividad de la red neuronal en alta resolución en animales que se comportan naturalmente».

Los grandes inventos vienen en envases pequeños

Los mecanismos básicos de Mini2P no son muy diferentes de los de un microscopio óptico o del ojo humano. La unidad más pequeña de luz se llama fotón. Mini2P utiliza dos y dos pequeños haces de luz de un láser para excitar y registrar las neuronas con precisión, en alta resolución.

«Cuando desarrollamos el Mini2P, seguimos dos reglas en las que no estábamos dispuestos a ceder», dice Weijian Zong. Zong es el primer autor de un nuevo artículo que describe la tecnología y es investigador en el Instituto Kavli.

“La primera regla era que cualquier mejora en el equipo no debía afectar el comportamiento natural del animal. Entonces, sabíamos que teníamos que perder peso para hacer que el microscopio y su cable fueran lo más livianos y flexibles posible”, dijo. «La segunda regla era que no debemos comprometer el rendimiento del microscopio. Si queremos que los investigadores inviertan tiempo en una nueva herramienta, las características del miniscopio deben funcionar significativamente mejor que sus predecesores».

Una de las varias características brillantemente diseñadas del Mini2P es una pequeña lente sintonizable eléctricamente. Mediante el uso de voltaje estático, Zong pudo manipular la curvatura de la lente sin provocar un aumento de la temperatura. Al cambiar la curvatura de la lente, Mini2P cambiará el plano focal entre la superficie y las capas celulares más profundas de la corteza, lo que también permitirá grabaciones de estructuras tridimensionales del tejido cerebral.

Un gen tomado de las medusas hace que las células del cerebro brillen cuando conversan entre sí.

La bioluminiscencia permite a los investigadores ver exactamente qué células participan en diferentes segmentos de la conversación. También pueden observar cómo la conversación neuronal da lugar a ideas que luego el ratón representa «en el mundo exterior».

Los investigadores también pueden codificar con colores las células del cerebro en función de los genes que expresan y las áreas del cerebro con las que se comunican. Esto permite a los investigadores saber qué tipos de células cerebrales deben colaborar para generar diferentes capacidades cognitivas.

Mini2P graba simultáneamente desde miles de células cerebrales. Puede seguir las mismas células cerebrales durante más de un mes y mantenerlas enfocadas incluso a través de las actividades más vigorosas, como saltos repetidos desde una torre de 22 centímetros de altura. Mini2P puede explorar diferentes áreas y funciones mentales en toda la corteza cerebral.

Los investigadores han probado Mini2P en múltiples regiones del cerebro, como el sistema de navegación, el centro de memoria y el área visual. Mediante el uso de una especie de técnica de colcha de retazos, puede mapear paisajes neuronales aún más grandes, como 10 000 células cerebrales a través de la corteza visual. Todas las mediciones se realizaron mientras el mouse se movía libremente y hacía lo que normalmente hace. Esto era simplemente imposible antes de Mini2P.

Enfrentando Mini2P contra las tecnologías existentes más cercanas

Los miniscopios de 1 fotón existen desde hace una década. Tienen varios problemas. La resolución es insuficiente, la imagen puede ser demasiado lenta, no se puede cambiar el plano focal en el eje Z o no se pueden usar para la mayoría de las partes de la corteza que presentan una alta actividad y una alta densidad celular.

Mini2P permite grabar desde múltiples planos a lo largo del eje Z, en escalas que van desde subestructuras de células como ramas axonales, hasta mapas topográficos de diez mil células. La versión de sobremesa actual del microscopio de dos fotones pesa media tonelada y ocupa casi toda la habitación. El microscopio de mesa requiere que la cabeza del ratón se mantenga en su lugar, lo que restringe el movimiento natural del ratón. También reemplaza el acceso del mouse al mundo real con realidad virtual. Eso no se parece en nada a lo que normalmente experimentaría un ratón, lo que significa que su comportamiento probablemente tampoco sea natural.

Mini2P, por otro lado, pesa 2,4 gramos, con un láser súper flexible y un cable de recolección de luz que permite que el mouse se mueva con la misma libertad y dinámica que lo haría sin llevar Mini2P en la cabeza.

Mini2P es de código abierto

«Creemos que el Mini2P cambia las reglas del juego y queremos compartirlo con neurocientíficos y laboratorios de todo el mundo», dice May-Britt Moser.

«La cantidad de datos de investigación recopilados de cada grabación también puede desempeñar un papel en la reducción de la cantidad de animales utilizados en la investigación», dijo. La nueva herramienta también podría desempeñar un papel importante en la comprensión de las enfermedades cerebrales.

«La enfermedad de Alzheimer a menudo comienza con daño en la corteza entorrinal», dice Edvard Moser. “Sabemos que el Alzheimer causa déficits en la capacidad de navegar y en la memoria. Estas son funciones cerebrales que surgen de la colaboración conjunta de miles de células cerebrales”.

«El Mini2P ofrece una forma de monitorear los cambios en la dinámica entre miles de células en ratones que se mueven libremente, utilizando cepas de ratones que son organismos modelo para estudiar la enfermedad de Alzheimer», explica. «La capacidad de etiquetar diferentes tipos de células también puede permitirnos identificar qué células son vulnerables a los cambios tempranos relacionados con la enfermedad de Alzheimer», dijo Edvard Moser.

Mini2P es una invención de código abierto disponible en el Instituto Kavli de Neurociencia de Sistemas en NTNU en Trondheim. El plano, una lista de compras y videos instructivos están disponibles en GitHub. El instituto también ofrecerá talleres más adelante en el año.

La investigación fue publicada en Célula.