Multi-region two-photon calcium imaging in freely moving animals
Los autores presentan MINI2P-II, un sistema de miniscopio de dos fotones de color dual y ligero que permite la obtención simultánea de imágenes de calcio de alta resolución en regiones cerebrales ampliamente separadas en animales con movimiento libre, revelando así la compleja coordinación neuronal interregional durante comportamientos naturales.
Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta es una explicación generada por IA de un preprint que no ha sido revisado por pares. No es consejo médico. No tome decisiones de salud basándose en este contenido. Leer descargo de responsabilidad completo
El cerebro no es un centro de mando único y aislado, sino una vasta red de vecindarios distantes, cada uno de los cuales se encarga de tareas específicas mientras se comunican constantemente entre sí. Para comprender cómo surgen comportamientos complejos como correr, escalar o cantar, los científicos deben observar cómo estos vecindarios distantes se activan en unísono. Durante décadas, las herramientas disponibles para observar esta actividad han forzado una elección difícil. Los investigadores podían usar cámaras diminutas para observar un solo área cerebral en un animal que se mueve libremente, o podían usar electrodos para escuchar muchas áreas a la vez, pero los electrodos a menudo dañaban el tejido o perdían el rastro de las mismas células con el tiempo. El estándar de oro para ver células individuales en acción es una técnica llamada microscopía de dos fotones, que utiliza luz enfocada para escudriñar profundamente dentro del tejido vivo con una claridad increíble. Sin embargo, el equipo necesario para este registro de alta calidad ha sido históricamente demasiado pesado para que un animal pequeño lo transporte, limitando estas vistas detalladas a animales que están sedados o sujetos a una máquina estacionaria.
Un equipo de investigadores ha desarrollado ahora una solución que rompe esta barrera de peso, permitiendo observar cómo trabajan los vecindarios distantes del cerebro en tiempo real mientras el animal se mueve libremente. Crearon un nuevo dispositivo, un microscopio miniatura que pesa solo 1,1 gramos, lo suficientemente ligero como para ser transportado por un ratón o incluso por un pequeño pájaro cantor sin dificultar su comportamiento natural. Al montar dos de estos dispositivos en un solo animal, los científicos pudieron registrar desde dos regiones cerebrales separadas simultáneamente por primera vez con este nivel de detalle. Demostraron que esta configuración funciona para estudiar cómo las dos mitades del cerebro coordinan durante tareas físicas difíciles, cómo las regiones cerebrales cercanas codifican la información espacial y cómo los cerebros de las aves jóvenes aprenden a cantar. Este trabajo abre una ventana a la actividad coordinada de los circuitos neuronales distribuidos, mostrando que las complejas conversaciones del cerebro pueden observarse en su contexto completo y natural.
El núcleo de este logro es el diseño del nuevo microscopio en sí, que los investigadores llaman MINI2P-II. Los intentos previos de reducir el tamaño de los microscopios de dos fotones a menudo resultaban en una pérdida de la calidad de imagen o de la capacidad de ver profundamente en el cerebro. El nuevo dispositivo supera esto repensando cómo la luz viaja a través del instrumento. En lugar de utilizar muchos lentes y espejos separados, los diseñadores combinaron varias funciones en componentes únicos y plegaron las trayectoras de la luz para que ocupen el mismo espacio físico. También reemplazaron las pesadas piezas metálicas por materiales de fibra de carbono ligeros y utilizaron un nuevo tipo de cable de fibra óptica que mantiene estable la luz del láser incluso cuando el animal gira y se retuerce. El resultado es un dispositivo que pesa menos de la mitad que sus predecesores, pero ofrece imágenes más nítidas, un campo de visión más amplio y la capacidad de ver más profundo en el tejido cerebral. Crucialmente, el dispositivo es modular, lo que significa que diferentes partes pueden intercambiarse o actualizarse sin reconstruir todo el sistema.
Para demostrar que este dispositivo ligero podía capturar la actividad cerebral durante un movimiento vigoroso, los investigadores lo probaron en ratones realizando una tarea física desafiante. Entrenaron a los ratones para escalar una escalera vertical para alcanzar una recompensa de comida, un comportamiento que requiere una coordinación precisa de las patas delanteras y traseras. Utilizando dos microscopios MINI2P-II, registraron desde la corteza motora en ambos lados, izquierdo y derecho, del cerebro al mismo tiempo. Los datos revelaron que los dos lados del cerebro no simplemente se reflejan el uno al otro. Durante la escalada, la actividad en el lado derecho del cerebro precedió consistentemente a la actividad en el lado izquierdo por una fracción de segundo, lo que sugiere una secuencia específica de comandos para este movimiento complejo. Además, cuando observaron las células individuales en lugar de solo la actividad promedio, encontraron que grupos específicos de neuronas en ambos lados del cerebro se activaban juntas en grupos compactos durante la escalada, mientras que otros grupos se activaban en oposición. Estos intrincados patrones de coordinación eran invisibles cuando se observaba un solo lado del cerebro o cuando se promediaba la actividad de todas las células.
Los investigadores también demostraron que esta tecnología podía utilizarse para estudiar regiones cerebrales que están muy cerca unas de otras, una tarea que antes era imposible con dos microscopios separados porque los dispositivos chocarían físicamente en la cabeza del animal. Desarrollaron un nuevo ensamblaje óptico, esencialmente un periscopio diminuto hecho de lentes y prismas especializados, que desplaza la visión del microscopio lateral y hacia abajo. Esto les permitió montar dos microscopios en el mismo lado de la cabeza de un ratón y, aun así, observar dos áreas cerebrales adyacentes distintas. Utilizando esta configuración, registraron desde la corteza retrosplenial y la corteza parietal posterior, dos regiones conocidas por ayudar a los animales a navegar por su entorno. Encontraron que, si bien ambas regiones contenían células que se activaban cuando el animal estaba cerca de una pared, las células en la corteza retrosplenial tenían mucha más probabilidad de activarse cuando la pared estaba al lado izquierdo del animal, mientras que las células en la corteza parietal mostraban una respuesta más equilibrada a las paredes en ambos lados. Esta sutil diferencia en cómo las dos regiones mapean el mundo habría sido imposible de detectar sin registrar ambas áreas simultáneamente en el mismo animal.
Finalmente, la extrema ligereza del dispositivo permitió al equipo expandir estos estudios a animales mucho más pequeños y etapas de desarrollo más tempranas. Utilizaron con éxito los microscopios para registrar desde los cerebros de los pinzones, una especie de pequeño pájaro cantor. En las aves adultas, observaron que las células cerebrales responsables del control del canto permanecían silenciosas mientras el ave interactuaba con una hembra, pero estallaban en actividad en el momento en que el ave comenzaba a cantar. También registraron de un ave juvenil que aún estaba aprendiendo a cantar. En estas aves jóvenes, las células cerebrales estaban activas incluso cuando el ave no estaba cantando, lo que sugiere un estado de práctica y aprendizaje constante. Este nivel de detalle en un ave juvenil que se mueve libremente era previamente inalcanzable, ya que los microscopios más antiguos y pesados habrían sido demasiado gravosos para que el pequeño animal los transportara.
El éxito de este proyecto demuestra que las limitaciones de peso y tamaño en las herramientas de la neurociencia no son insuperables. Al combinar un microscopio rediseñado radicalmente con accesorios ópticos ingeniosos, los investigadores han proporcionado una nueva forma de observar el funcionamiento del cerebro. Han demostrado que los comportamientos complejos del cerebro surgen de conversaciones dinámicas y coordinadas entre regiones distantes y cercanas, conversaciones que ahora pueden observarse en animales que se mueven libremente por su mundo. Este enfoque ofrece una poderosa nueva lente para comprender cómo se desarrollan los circuitos neuronales, cómo aprenden y cómo fallan, todo ello sin interrumpir los comportamientos naturales que los científicos buscan comprender.
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