La capacidad del cerebro para aprender proviene de la “plasticidad”, en la que las neuronas modifican y remodelan constantemente las pequeñas conexiones llamadas sinapsis que establecen con otras neuronas para formar circuitos. Para estudiar la plasticidad, los neurocientíficos intentan rastrearla en alta resolución en células enteras, pero la plasticidad no espera a que los microscopios lentos sigan el ritmo y el tejido cerebral dispersa la luz y las imágenes se vuelven borrosas. yo en un papel Informes científicosuna colaboración de ingenieros y neurocientíficos del MIT ha descrito un nuevo sistema de microscopía diseñado para obtener imágenes rápidas, claras y repetibles del cerebro vivo.
El sistema, llamado “enfoque temporal de escaneo ortogonal multilínea” (mosTF), funciona escaneando el tejido cerebral en direcciones perpendiculares a las líneas de luz. Al igual que otros sistemas vivos de imágenes cerebrales que se basan en la “microscopía de dos fotones”, esta luz de barrido “excita” la emisión de fotones de células cerebrales que han sido diseñadas para emitir fluorescencia cuando se estimulan. En las pruebas del equipo, el nuevo sistema demostró ser ocho veces más rápido que un telescopio de dos fotones que va punto a punto, y demostró tener una relación señal-fondo cuatro veces mejor (lo que da como resultado una claridad de imagen a escala). – Sistema de fotones que escanea en una sola dirección.
“El seguimiento de los cambios rápidos en la estructura de los circuitos en el contexto del cerebro vivo sigue siendo un desafío”, afirman los coautores Eli Nedevi, William R. (1964) y Linda R. dijo el joven profesor de neurociencia en el Instituto Pacor para el Aprendizaje y la Memoria y el MIT. Departamento de Biología y Ciencias del Cerebro y Cognitivas. “Si bien la microscopía de dos fotones es el único método que permite la visualización de alta resolución de las sinapsis en el tejido disperso, como las sinapsis en las profundidades del cerebro, el escaneo de puntos requerido es mecánicamente lento. El sistema mosTF escanea sin sacrificar la resolución. Reduce el tiempo significativamente. “
Escanear una línea de muestra completa es inherentemente más rápido que escanear solo un punto a la vez, pero genera mucha dispersión. Para gestionar esta dispersión, algunos sistemas de alcance simplemente descartan los fotones dispersos como ruido, pero luego se pierden, dijo el autor principal Yi Xue, profesor asistente en UC Davis y autor correspondiente Peter TC So en el laboratorio. . Ingeniería Mecánica e Ingeniería Biológica en el MIT. Los sistemas de última generación de una sola línea y la mayoría de los TF generan una señal más fuerte (resolviendo así las propiedades más pequeñas y débiles de la neurona estimulada) reasignando algorítmicamente los fotones dispersos a su origen. En una imagen bidimensional, este proceso se logra mejor utilizando información generada por un sistema bidimensional de dirección perpendicular como MOSTF, en comparación con un sistema unidimensional de dirección única, dijo Zhou.
“Nuestra luz de excitación es una línea en lugar de un punto, más parecida a un tubo de luz que a una bombilla, pero el proceso de reconstrucción sólo puede reasignar fotones a la línea de excitación y no maneja la dispersión dentro de la línea. “Podría”, Zoe explicado. “Por lo tanto, la corrección de dispersión sólo se realiza en una dimensión para una imagen 2D. Para corregir la dispersión en ambas dimensiones, necesitamos escanear la muestra y corregir también la dispersión en la otra dimensión, lo que da como resultado una estrategia de escaneo ortogonal”.
En el estudio, el equipo probó su sistema frente a un microscopio punto por punto (un microscopio de barrido láser de dos fotones, TPLSM) y un microscopio de enfoque transitorio de barrido lineal (lineTF). Obtuvieron imágenes de perlas fluorescentes a través del agua y de una solución con infusión de lípidos que imita mejor el tipo de dispersión producida en el tejido biológico. En solución lipídica, mostTF produjo imágenes con una relación señal-fondo 36 veces mejor que lineTF.
Para obtener pruebas más definitivas, Ziv trabajó con Josiah Bowen en el laboratorio de Nedevi para utilizar MOSTF para obtener imágenes de neuronas en el cerebro de un ratón vivo anestesiado. Incluso en este entorno más complejo, donde la pulsación de los vasos sanguíneos y el movimiento de la respiración proporcionan confusión adicional, el alcance MOSTF logró una relación señal-fondo cuatro veces mejor. Es importante destacar que pudo mostrar las características donde residen muchas sinapsis: espinas que se extienden a lo largo de procesos en forma de enredaderas, o dendritas, que se extienden desde el cuerpo celular de la neurona. “Poder observar estas espinas crecer, encogerse, ir y venir por toda la célula es esencial para controlar la plasticidad”, dijo Nedevi.
“Nuestra colaboración continua con Sue Lab y su experiencia en el desarrollo de microscopios ha permitido estudios in vivo que son inaccesibles utilizando microscopios de dos fotones tradicionales y listos para usar”, agregó.
Dijo que ya está planeando nuevas mejoras en la tecnología.
“Continuamos trabajando hacia el objetivo de desarrollar microscopios aún más eficientes para observar la plasticidad de manera más efectiva”, dijo. “La velocidad de MOSTF todavía está limitada por la necesidad de utilizar cámaras de alta sensibilidad y bajo ruido que a menudo son lentas. Ahora estamos desarrollando sistemas de próxima generación con nuevos tipos de detectores, como fotomultiplicadores híbridos o conjuntos de fotodiodos de avalancha. están trabajando sobre eso son a la vez sensibles y sensibles.”
