Hologramas que revelan el funcionamiento interno del cerebro

Hologramas que revelan el funcionamiento interno del cerebro

Lo mismo que hacen falta poderosas herramientas para detectar las galaxias más lejanas, también son necesarias herramientas similares para ver el funcionamiento interno de las diminutas neuronas.

Tomando prestada una técnica de la ciencia de materiales, un equipo de neurobiólogos, psiquiatras, y especialistas en imagen avanzada del EPLF y CHUV de Suiza, han publicado en el Journal of Neuroscience, que ahora se puede observar con Digital Holographic Microscopy (DHM) la actividad neuronal en tiempo real y en tres dimensiones, a un máximo de resolución 50 veces mayor que nunca antes. La aplicación tiene un enorme potencial para poner a prueba nuevos medicamentos para combatir las enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y el Parkinson.

Las neuronas tienen diferentes formas y son transparentes. Para observarlas en una placa de Petri, los científicos utilizan tintes fluorescentes que cambian la composición química y pueden sesgar los resultados. Además, esta técnica consume mucho tiempo, con frecuencia daña las células, y sólo permite examinar algunas neuronas a la vez. Sin embargo, estos resultados recientes muestran cómo la DHM pueden superar estas limitaciones.

"La DHM es una aplicación fundamental para el estudio de las neuronas y aporta una serie de ventajas respecto a los microscopios tradicionales", explica Pierre Magistretti del Brain Mind Institute EPFL, y autor principal del artículo. "No es invasiva, permitiendo una observación prolongada de los procesos neuronales, y todo ello sin necesidad de electrodos ni tintes que dañen las células."

Alto miembro del equipo de Pierre Marquet, añade, "La DHM proporciona una información muy valiosa no sólo sobre la forma de las neuronas, sino también sobre su dinámica y actividad, esta técnica crea imágenes navegables en 3D y aumenta la precisión de los 500 nanómetros, de los microscopios tradicionales, a una escala de 10nanómetros.

Una buena forma de entender cómo funciona la DHM es imaginar una gran roca en un mar de ondas perfectamente regulares. Cuando las ondas se deforman alrededor de la roca y salen por el otro lado, transportan información sobre la forma de la roca. Esta información puede extraerse al comparar dichas ondas con otras que no chocan contra la roca, así la imagen de la roca puede ser reconstruida. La DHM se lleva a cabo apuntando un rayo láser de una sola longitud de onda en un objeto, se recoge la distorsión de la onda por el otro lado, y se compara con el haz de referencia. Posteriormente, una computadora reconstruye numéricamente la imagen en 3D del objeto (en este caso, neuronas) mediante un algoritmo desarrollado por los mismos autores. Además, el rayo láser viaja a través de las células transparentes obteniendo una valiosa información sobre su composición interna.

Normalmente, esta técnica se viene aplicando para detectar pequeños defectos en los materiales, Magistretti, junto con Christian Depeursinge, pionero en DHM y profesor del Laboratorio de Fotónica avanzada de EPFL, decidieron utilizarla en neurobiología. En el estudio, su grupo inducía una carga eléctrica en una cultivo de neuronas usando glutamato, un neurotransmisor básico del cerebro. Esta transferencia de carga transporta el agua dentro de las neuronas, y cambios sus propiedades ópticas de una manera que sólo puede detectarse por la DHM. Por lo tanto, esta técnica de precisión permite visualizar la actividad eléctrica de cientos de neuronas simultáneamente, en tiempo real, sin dañarlas con electrodos, que sólo pueden registrar la actividad de unas pocas neuronas a la vez.

Un importante avance para la investigación farmacéutica

Sin la necesidad de introducir colorantes o electrodos, la DHM se puede aplicar para detectar miles de nuevas moléculas farmacológicas. Este avance tiene importantes implicaciones para el descubrimiento de nuevos fármacos que puedan combatir o prevenir enfermedades neurodegenerativas, como el Parkinson y el Alzheimer, debido a que las nuevas moléculas pueden ser testeadas con mayor rapidez y en mayor número.

"Dada la precisión, velocidad y falta de agresividad de esta técnica, es posible rastrear cambios mínimos en las propiedades de las neuronas, en relación con una test de droga, y permitir una mejor comprensión de lo que está ocurriendo, especialmente en la predicción de la muerte neuronal", comenta Magistretti. "Lo que normalmente nos llevaría unas 12 horas en el laboratorio, ahora podemos hacerlo en 15 ó 30 minutos, disminuyendo considerablemente el tiempo que lleva a los investigadores el saber si un medicamento es eficaz o no."

• Referencia: EurekAlert.org, 16 agosto 2011, Michael David Mitchell
• Fuente: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne .
• Imagen 1) y 2) de Lyncée Tec .
• Citation: The Journal of Neuroscience, August 17, 2011 • 31(33):11846 . Título: Determination of Transmembrane Water Fluxes in Neurons Elicited by Glutamate Ionotropic Receptors and by the Cotransporters KCC2 and