Combining ultra-flexible electrodes with two-photon imaging to illuminate brain-wide neural dynamics
Este artículo presenta un enfoque combinado que utiliza electrodos ultra-flexibles implantados de forma crónica y la técnica de imagen de calcio de dos fotones para registrar simultáneamente la actividad neural subcortical y cortical en ratones, permitiendo la investigación de la dinámica cerebral a gran escala a través de estados cerebrales lentos y eventos de rizado rápidos.
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
Imagina el cerebro como una ciudad enorme y bulliciosa que nunca duerme. Para entender cómo funciona esta ciudad, los científicos necesitan escuchar las conversaciones que ocurren en sus diferentes vecindarios. Durante mucho tiempo, los investigadores tuvieron dos formas principales de espiar. Una forma era como colocar un micrófono de alta tecnología y súper rápido en una esquina específica; podía oír cada palabra pronunciada (los picos de las células nerviosas individuales) con una velocidad increíble, pero era rígido y solo podía escuchar un área pequeña a la vez. La otra forma era como usar una cámara de dron gigante y en cámara lenta para observar toda la ciudad desde arriba; podía ver el flujo del tráfico y el estado de ánimo de distritos enteros (grupos de células) e incluso identificar quién conducía qué tipo de coche (tipos de células específicos), pero no podía oír las palabras individuales que se estaban pronunciando.
El gran desafío era que estas dos herramientas no funcionaban bien juntas. Los micrófonos rígidos eran demasiado voluminosos y difíciles de colocar sin bloquear la vista del dron, y a menudo creaban "estática" o interferencias cuando las luces brillantes del dron brillaban sobre ellos. Esto significaba que los científicos tenían que elegir: o escuchaban las conversaciones rápidas y detalladas en las partes profundas de la ciudad, o veían el estado de ánimo general y lento de la superficie, pero rara de vez en cuando ambas cosas al mismo tiempo. Comprender cómo las partes profundas y ocultas del cerebro hablan con las partes superficiales es crucial porque nos ayuda a entender cómo aprendemos, cómo recordamos cosas y por qué nuestros cerebros a veces enferman.
En este estudio, un equipo de investigadores construyó una herramienta completamente nueva para resolver este problema. Crearon "electrodos de tentáculo ultra-flexibles" (UFTEs, por sus siglas en inglés), que son como hilos increíblemente delgados, suaves y flexibles hechos de un material especial. Piensa en estos como líneas de pesca fantasmales e invisibles que pueden bajarse suavemente en los túneles profundos y oscuros del cerebro sin perturbar el agua. Debido a que son tan suaves y delgados, no bloquean la vista de la cámara del dron, y son tan silenciosos que las luces brillantes de la cámara no generan ruido de estática en la grabación.
Los investigadores probaron esta nueva configuración en ratones que estaban despiertos y moviéndose. Plantaron estos hilos flexibles profundamente dentro del cerebro para escuchar el tálamo (una estación de relevo), el hipocampo (un centro de memoria) y la corteza (la capa externa donde ocurre el pensamiento). Al mismo tiempo, utilizaron un microscopio de dos fotones (la cámara del dron) para observar las neuronas en la capa externa del cerebro, que habían sido modificadas genéticamente para brillar cuando estaban activas.
Los resultados fueron impresionantes. Los hilos flexibles permanecieron en su lugar durante semanas, lo que permitió al equipo rastrear las mismas células nerviosas individuales una y otra vez. Descubrieron que estos hilos producían casi ninguna interferencia de la luz del microscopio; la "estática" era tan diminuta (alrededor de 3.7 microvoltios) que era prácticamente invisible en comparación con las señales reales del cerebro. Esto permitió ver el cerebro de una manera que nunca antes habían podido: escuchando la charla rápida y precisa de las células profundas del cerebro mientras observaban simultáneamente la danza luminosa y en cámara lenta de las células superficiales.
Usando esta visión combinada, el equipo descubrió cómo diferentes partes del cerebro hablan entre sí dependiendo de lo que el ratón estuviera haciendo. Cuando el ratón corría o estaba alerta, las áreas profundas del cerebro y las áreas superficiales parecían sincronizarse de una manera específica y de baja dimensionalidad, casi como un director dirigiendo una orquesta. Sin embargo, cuando el ratón descansaba, la conversación cambiaba. También observaron los "rizos" (ripples), que son ráfagas de actividad muy rápidas en el centro de la memoria. Encontraron que durante estos rizos, el centro de la memoria se excitaba, pero la estación de relevo y la superficie a menudo se calmaban. Curiosamente, las células que se calmaban durante estos rizos eran las mismas que se excitaban cuando el ratón corría.
Este estudio no pretende haber resuelto todos los misterios del cerebro, pero sugiere que, al combinar estas dos poderosas herramientas de escucha y observación, finalmente podemos ver cómo las partes profundas y superficiales del cerebro trabajan juntas como un equipo. Los investigadores demostraron que este nuevo método es estable, confiable y abre la puerta para estudiar cómo las redes de todo el cerebro cambian durante el aprendizaje o la enfermedad, todo sin el ruido y la confusión que solían estorbar.
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