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Microscopio para visualizar la comunicación neuronal
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Microscopio para visualizar la comunicación neuronal

Microscopio innovador preparado para impulsar estudios optogenéticos
El nuevo microscopio tiene un campo de visión más de 100 veces mayor para estudiar la actividad cerebral.

El nuevo microscopio Firefly está optimizado para realizar estudios optogenéticos que examinan muchas neuronas a la vez. Cada punto brillante aquí representa una neurona de un ratón genéticamente modificado.
Crédito: Vaibhav Joshi, Universidad de Harvard.


Un microscopio recientemente desarrollado proporciona a los científicos una herramienta muy mejorada para estudiar cómo los trastornos neurológicos como la epilepsia y la enfermedad de Alzheimer afectan la comunicación neuronal. El microscopio está optimizado para realizar estudios utilizando técnicas optogenéticas, una tecnología relativamente nueva que utiliza la luz para controlar y las neuronas de imagen modificadas genéticamente con proteínas sensibles a la luz.

"Nuestro nuevo microscopio se puede utilizar para explorar los efectos de diferentes mutaciones genéticas en la función neuronal", dijo Adam Cohen de la Universidad de Harvard, Estados Unidos, y el líder del equipo de investigación que desarrolló el microscopio. "Algún día podría usarse para evaluar los efectos de fármacos candidatos en neuronas derivadas de personas con trastornos del sistema nervioso para tratar de identificar medicamentos para tratar enfermedades que no tienen tratamientos adecuados en este momento".

El nuevo microscopio, llamado Firefly, puede crear imágenes de un área de 6 milímetros de diámetro, más de cien veces más grande que el campo de visión de la mayoría de los microscopios utilizados para optogenética. En lugar de estudiar la actividad eléctrica de una neurona, la gran área de imágenes hace posible activar los impulsos eléctricos que utilizan las neuronas para comunicarse y luego observar cómo esos pulsos viajan de una celda a otra a través de un gran circuito neuronal que contiene cientos de células. En el cerebro, cada neurona normalmente se conecta con otras mil neuronas, por lo que es importante ver la red más grande para comprender cómo las enfermedades neurológicas afectan la comunicación neuronal.

En la revista The Optical Society (OSA) Biomedical Optics Express, Cohen y sus colegas informan cómo ensamblaron el nuevo microscopio por menos de $ 100,000 utilizando componentes que casi todos están disponibles comercialmente. El microscopio no solo imágenes de un área grande, sino que también recoge la luz de manera extremadamente eficiente. Esto proporciona la alta calidad de imagen y la velocidad rápida necesaria para observar pulsos eléctricos neuronales que duran solo una milésima de segundo.

Usando la luz para ver las neuronas disparar

El nuevo microscopio es ideal para estudiar las neuronas humanas cultivadas en el laboratorio. En la última década, los científicos han desarrollado modelos de células humanas para muchos trastornos del sistema nervioso. Estas células pueden modificarse genéticamente para que contengan proteínas sensibles a la luz que permitan a los científicos utilizar la luz para hacer que las neuronas se disparen o para controlar variables como los niveles de neurotransmisores o la agregación de proteínas. Otras proteínas fluorescentes sensibles a la luz convierten los pulsos eléctricos invisibles que provienen de las neuronas en breves destellos de fluorescencia que pueden ser formados y medidos.

Estas técnicas han hecho posible que los científicos estudien la entrada y salida de neuronas individuales, pero los microscopios disponibles en el mercado no están optimizados para aprovechar al máximo el potencial de los enfoques optogenéticos. Para llenar este vacío tecnológico, los investigadores diseñaron el microscopio Firefly para estimular las neuronas con un patrón complejo que contiene un millón de puntos de luz y luego grabar los breves destellos de luz fluorescente que corresponden a los pulsos eléctricos emitidos por las neuronas.

Cada píxel del patrón de luz puede estimular de forma independiente una proteína sensible a la luz. Debido a que los píxeles pueden tener muchos colores distintos, se pueden activar diferentes tipos de proteínas sensibles a la luz a la vez. El patrón de luz puede programarse para cubrir una neurona completa, estimular ciertas áreas de una neurona o usarse para iluminar múltiples células a la vez.

"Este sistema óptico proporciona un millón de entradas y un millón de productos, lo que nos permite ver todo lo que está sucediendo en estas culturas neuronales", explicó Cohen.

Después de estimular las neuronas, el microscopio utiliza una cámara de imágenes a mil cuadros por segundo para capturar la fluorescencia inducida por los pulsos eléctricos extremadamente cortos. "El sistema óptico debe ser altamente eficiente para detectar buenas señales en un milisegundo", dijo Cohen. "Se invirtió una gran cantidad de ingeniería en el desarrollo de ópticas que no solo pueden obtener imágenes de un área grande, sino que lo hacen con una alta eficiencia de recolección de luz".

Para recoger la luz de manera eficiente en un área grande, el microscopio Firefly usa una lente objetivo del tamaño de una lata de refresco en lugar de la lente objetivo del tamaño de un pulgar que utilizan la mayoría de los microscopios. Los investigadores también utilizaron una configuración óptica que aumenta la cantidad de luz que estimula las neuronas para ayudar a garantizar que las neuronas emitan fluorescencia brillante al disparar.

"El único elemento personalizado en el microscopio es un pequeño prisma colocado entre las neuronas y la lente del objetivo", explicó Cohen. "Este importante componente hace que la luz viaje a lo largo del mismo plano que las células en lugar de entrar perpendicularmente a la muestra. Esto evita que la luz ilumine el material por encima y por debajo de las células, disminuyendo la fluorescencia de fondo que dificultaría la fluorescencia. las neuronas ".

Mirando 85 neuronas a la vez

Los investigadores demostraron su nuevo microscopio al usarlo para estimular y registrar ópticamente la fluorescencia de las neuronas humanas cultivadas. "Las neuronas eran un gran enredo de espagueti", dijo Cohen. "Mostramos que era posible resolver 85 neuronas individuales al mismo tiempo en una medida que tomó aproximadamente 30 segundos".

Después de la estimulación inicial y la obtención de imágenes, los investigadores pudieron encontrar 79 de esas 85 células por segunda vez. Esta capacidad es importante para estudios que requieren que cada una de las células se tome una imagen antes y después de la exposición a un fármaco, por ejemplo.

En una segunda demostración, los investigadores usaron el microscopio para mapear las ondas eléctricas que se propagaban a través de células cardíacas cultivadas. Esto demostró que el microscopio podría usarse para estudiar los ritmos cardíacos anormales, que ocurren cuando las señales eléctricas que coordinan los latidos del corazón no funcionan correctamente.

"El sistema que desarrollamos está diseñado para mirar una muestra relativamente plana, como las células cultivadas", dijo Cohen. "Ahora estamos desarrollando un sistema para realizar enfoques optogenéticos en el tejido intacto, lo que nos permitiría observar cómo se comportan estas neuronas en su contexto nativo".

Los investigadores también han comenzado una empresa de biotecnología llamada Q-State Biosciences que está utilizando una versión mejorada del microscopio para trabajar con compañías farmacéuticas en el descubrimiento de fármacos.


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