Los científicos han desarrollado una nueva técnica poderosa que podría transformar nuestra comprensión del intrincado sistema de cableado del cerebro. El método innovador, llamado Connectomics (LICONN) basado en la microscopía ligera (LICONN), permite a los investigadores mapear las complejas redes neuronales del cerebro a nanoescala al tiempo que identifica simultáneamente moléculas específicas dentro de esas conexiones. Este enfoque innovador, detallado en Un nuevo estudio publicado en Natureacerca a los científicos un paso más cerca para comprender exhaustivamente cómo las células cerebrales se comunican y funcionan juntas.
Unir la brecha entre la estructura y la función
Hasta ahora, los investigadores que estudian la conectividad cerebral enfrentaron una compensación desafiante: podían ver la estructura física detallada de las conexiones neuronales utilizando microscopía electrónica (EM) o identificar moléculas específicas usando microscopía de luz, pero no ambas simultáneamente a la resolución necesaria para rastrear las conexiones individuales.
Liconn supera esta limitación al combinar la preparación innovadora de tejido con inteligencia artificial. La técnica expande muestras de tejido cerebral aproximadamente 16 veces al tiempo que preserva su integridad estructural, luego utiliza el aprendizaje automático para analizar las muestras expandidas y reconstruir su intrincada arquitectura celular.
“El cerebro está compuesto por una disposición de neuronas increíblemente densa, compleja y de grano fino con células de apoyo, que juntas constituyen una red funcional que permite la función cerebral”, explican los investigadores en su estudio. Este nuevo enfoque permite a los científicos visualizar este arreglo con claridad sin precedentes y contexto molecular.
Cómo funciona Liconn
La técnica se basa en un método llamado microscopía de expansión, que amplía físicamente las muestras de tejido para revelar detalles demasiado pequeños para ver con los microscopios convencionales. El enfoque Liconn refina significativamente este proceso a través de una serie de innovaciones químicas:
- El tejido cerebral está integrado en un hidrogel expandible especialmente diseñado que preserva las estructuras celulares
- El híbrido de hydrogel de tejido se amplía aproximadamente 16 veces, poniendo a la vista las características a nanoescala
- La microscopía de fluorescencia estándar captura las estructuras ampliadas a alta resolución
- Algoritmos de aprendizaje profundo Reconstruyen las redes neuronales con una precisión del 92.8%
- Las etiquetas moleculares identifican proteínas específicas en las sinapsis y otras estructuras celulares
Esta combinación permite a los investigadores visualizar detalles tan pequeños como 20 nanómetros utilizando microscopios estándar, una resolución previamente alcanzable solo con equipos especializados mucho más complejos y costosos.
Ver conexiones cerebrales en una nueva luz
Los enfoques tradicionales para mapear circuitos cerebrales con microscopía electrónica han hecho un progreso enorme en los últimos años, pero tienen limitaciones importantes, particularmente en la extracción de información molecular. Por el contrario, Liconn visualiza directamente las conexiones estructurales y los detalles moleculares en la misma muestra.
Los investigadores demostraron las capacidades de Liconn al mapear un volumen de tejido cerebral de aproximadamente 1 millón de micrómetros cúbicos de tamaño de la corteza cerebral del ratón. Dentro de este volumen, identificaron neuronas individuales, sus conexiones y la composición molecular de esas conexiones.
La tecnología reveló detalles impresionantes de la arquitectura del cerebro, incluida la disposición precisa de las proteínas sinápticas espaciadas a menos de 100 nanómetros de distancia, aproximadamente 1/1000 el ancho de un cabello humano. También identificó patrones periódicos de proteínas a lo largo de los axones, las largas proyecciones que las neuronas usan para enviar señales, espaciadas a intervalos de alrededor de 89 nanómetros.
Hacer que el mapeo cerebral avanzado sea más accesible
Quizás lo más significativo, Liconn hace que el mapeo cerebral de alta resolución sea accesible para más investigadores. Si bien la microscopía electrónica requiere equipos y experiencia especializados, Liconn trabaja con microscopios y técnicas de laboratorio estándar.
“Liconn es altamente accesible”, señalan los investigadores. “La adquisición está impulsada por un hardware de microscopía ligera convencional ampliamente disponible … y, aunque la preparación de muestras de Liconn introduce nuevas estrategias para lograr la expansión de tejido de alta fidelidad, el protocolo no es fundamentalmente más complejo que las técnicas de expansión previas que se han adoptado ampliamente”.
Esta accesibilidad podría acelerar dramáticamente la investigación sobre la estructura y la función del cerebro en toda la comunidad de neurociencia.
Más allá de las conexiones básicas
La información molecular proporcionada por Liconn abre nuevas vías de investigación más allá de mapear conexiones básicas. En su estudio, los investigadores demostraron varias aplicaciones, que incluyen:
Identificación de sinapsis excitatorias versus inhibidores basadas en su composición molecular, proporcionando información sobre el equilibrio de la activación y supresión neuronales. El equipo encontró que aproximadamente el 90% de las entradas a las dendritas (extensiones ramificadas de las células nerviosas) eran excitadoras, mientras que el 10% eran inhibitorias, consistentes con las observaciones previas.
Visualizar conexiones eléctricas llamadas uniones de brecha, que son difíciles de identificar con la microscopía electrónica, pero son cruciales para comprender cómo los grupos de neuronas sincronizan su actividad.
Examinar estructuras celulares especializadas como cilios primarios, proyecciones similares a la antena que las células usan para la señalización, y comparando sus características entre los ratones normales y aquellos con una mutación genética vinculada a la epilepsia y la discapacidad intelectual.
Mirando hacia el futuro del mapeo cerebral
Si bien la implementación actual de Liconn ha asignado volúmenes de tamaño similar a los estudiados con microscopía electrónica, los investigadores imaginan escalar la tecnología para mapear regiones cerebrales mucho más grandes. Sugieren que combinar liconn con técnicas para medir la expresión génica directamente en el tejido podría proporcionar una imagen aún más completa de la función cerebral.
“Al integrar la conectividad con información molecular in situ de células individuales, Liconn presenta un camino viable hacia las descripciones multimodales de las células cerebrales de mamíferos, incluida la morfología, la conectividad (incluidas las conexiones eléctricas), la fisiología y la expresión génica”, concluyen los investigadores.
A medida que los neurocientíficos continúan desentrañando el cableado extraordinariamente complejo del cerebro, las tecnologías como Liconn que unen la brecha entre las conexiones físicas y la función molecular prometen acelerar nuestra comprensión de cómo funciona el cerebro, y potencialmente lo que sale mal en los trastornos neurológicos.
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