Las funciones cerebrales surgen y dependen de señales eléctricas creadas y propagadas por las neuronas. Como tal, los científicos miden señales eléctricas para estudiar la función neuronal tanto a nivel unicelular como sistémico. Los investigadores buscan tecnologías que les permitan profundizar en la diversidad neuronal y la complejidad de las redes cerebrales.
En este foco de innovación, Jimmy Fonggerente senior de productos y tecnología de Bruker, analiza las imágenes de voltaje, una estrategia más nueva que puede detectar y visualizar pequeños cambios de voltaje dentro de una celda.
Jimmy Fong
Gerente Senior de Productos y Tecnología
Bruker
¿Qué son las imágenes de voltaje?
Las imágenes de voltaje fluorescente son un método emergente en la investigación de neurociencia que permite la visualización de la actividad neuronal mediante la detección de pequeños cambios de voltaje en la célula. Muchos de los avances en esta técnica se aceleraron con el desarrollo de indicadores de voltaje fluorescentes, que han mejorado dramáticamente en brillo, estabilidad y capacidad de respuesta a los cambios de voltaje. Los indicadores vienen en forma de tintes inyectados en una muestra o codificados genéticamente en un animal, de los que luego se pueden obtener imágenes con un microscopio capaz de captar imágenes de las señales de voltaje. También era necesario avanzar en la instrumentación microscópica para aprovechar los nuevos desarrollos de las sondas. Los indicadores ahora pueden informar eventos de milisegundos de muchas células simultáneamente, lo que también requiere tecnología microscópica con suficiente frecuencia y sensibilidad de imágenes para capturar los datos. Este fue nuestro objetivo al crear el módulo OptoVolt.
¿Cómo abordan las imágenes de voltaje las limitaciones de las técnicas de microscopía convencionales?
La medición de señales de voltaje neuronal se ha realizado tradicionalmente mediante técnicas de electrofisiología. Los científicos altamente capacitados pueden utilizar electrodos de vidrio al realizar experimentos de parcheo para registrar la actividad eléctrica rápida de una o varias células a la vez. Sin embargo, ha resultado difícil utilizar esta estrategia para grabar desde muchas células simultáneamente.
Los científicos también han utilizado imágenes de calcio fluorescente para medir la actividad neuronal. Aquí, las sondas de calcio, como GCaMP, se expresan en una muestra para visualizar la actividad de grandes poblaciones de células. Se han logrado muchos descubrimientos con imágenes de calcio, pero la técnica depende de la entrada de calcio en una célula y su posterior unión a un indicador fluorescente. Este proceso es lento, lo que lo convierte en un proxy retardado de la señal de voltaje subyacente. Con ese fin, las imágenes de voltaje tienen el potencial de combinar las ventajas de ambas técnicas.
¿Cómo afecta la frecuencia de las imágenes a las imágenes de voltaje?
Medir los potenciales de acción de múltiples células simultáneamente ayuda a los científicos a recopilar más datos e identificar redes multicelulares.
Los “picos” de voltaje neuronal, o potenciales de acción, en el cerebro de un ratón pueden tener una duración de tan solo unos pocos milisegundos. Para capturar esto, la frecuencia de la imagen debe ser lo suficientemente alta, o el evento podría pasarse por alto.
Una forma de obtener frecuencias de imagen más altas es utilizar cámaras más nuevas y más rápidas capaces de generar velocidades de cuadro más altas. Mientras desarrollábamos OptoVolt, elegimos un método diferente para lograr frecuencias más altas porque construimos el módulo en nuestro microscopio de dos fotones. Con un microscopio de dos fotones, escaneamos puntos de láser en el infrarrojo cercano y los detectamos con un tubo fotomultiplicador sensible (PMT). Esto permite obtener imágenes más profundas que los enfoques basados en cámaras. Trabajando con colaboradores de la Universidad de Boston, creamos la capacidad de combinar espejos de escaneo resonantes de alta velocidad con una serie de microlentes para dirigir los puntos láser más rápido de lo que antes era posible.
Con estas velocidades de cuadro más altas, los investigadores no solo pueden capturar la dinámica rápida del voltaje de las células, sino también la dinámica rápida de otros procesos biológicos, incluida la actividad de los neurotransmisores, el flujo sanguíneo, la locomoción y otros.
¿Qué campos son mejor atendidos por imágenes de voltaje?
Aunque gran parte del entusiasmo en torno a las imágenes de voltaje proviene de la investigación en neurociencia, otras células además de las neuronas también exhiben actividad de voltaje. Por ejemplo, los cardiomiocitos del tejido cardíaco pueden aprovechar estos avances.
¿Qué aplicaciones habilita o mejora OptoVolt?
Creamos OptoVolt como una adición modular a nuestro microscopio de dos y tres fotones llamado Ultima 2Pplus. Este microscopio se utiliza ampliamente en experimentos de neuroimagen en los que se combinan imágenes profundas de animales vivos de la actividad cerebral, a menudo con mediciones del comportamiento y fotoestimulación optogenética de las neuronas. Muchos de nuestros colaboradores estudian redes neuronales de gran población y, con el lanzamiento del módulo OptoVolt y sondas mejoradas, la esperanza es que los científicos puedan continuar su trabajo con una resolución temporal más alta. Estamos particularmente entusiasmados con la posibilidad de combinar este trabajo con la optogenética, donde las imágenes de voltaje y la fotoestimulación pueden proporcionar una vía para estudiar la verdadera conectividad de entrada y salida en el cerebro.