Mientras un ratón explora su entorno, millones de neuronas en el cerebro se sincronizan. Al estudiar sólo una pequeña subsección a la vez se pierde el bosque en lugar de los árboles, pero los potentes microscopios capaces de capturar todo el cerebro de un ratón a la vez son demasiado pesados para transportarlos en un ratón que camina.
ahora, Un nuevo estudio I Ingeniería Biomédica de la Naturaleza ofrece una solución innovadora a este problema: un microscopio que pesa lo mismo que una moneda de diez centavos pero que puede capturar una amplia gama de actividad cerebral con una resolución sin precedentes. “La capacidad de observar el cerebro cuando los ratones adoptan comportamientos naturales, como interacciones sociales y captura de presas, mejorará nuestra comprensión de cómo funciona el cerebro”, dice Alipasha Waziri, de Rockefeller, quien dirigió la investigación sobre cómo se relaciona la neuroactividad distribuida con el comportamiento natural. “.
Microscopía del tamaño del ratón.
Los mamíferos grandes pueden acomodar microscopios estándar montados en la cabeza, e incluso los ratones pueden soportar la tecnología que pesa alrededor de 20 gramos, u ocho centavos de dólar. Sin embargo, los ratones, el organismo modelo al que recurrir para comprender el funcionamiento del cerebro, son mucho más pequeños. Los microscopios diseñados para adaptarse a ellos deben pesar menos de tres gramos.
“En los últimos años hemos visto una explosión de microscopios montados en cabeza para roedores, pero normalmente admiten campos de visión de imágenes de sólo unos pocos cientos de micrómetros con resolución celular, debido a los diseños para campos de visión grandes. “La complejidad es insostenible. La penalización por el peso”, dice Waziri. “Los modelos actuales que son lo suficientemente livianos para transportarlos siempre comprometerán el campo de visión, la resolución y el rango de profundidad del microscopio”. Son propensos a artefactos inducidos por el movimiento.
Los intentos anteriores de superar esta limitación se diseñaron para hacer que cualquier tecnología existente fuera más liviana, sustituyendo partes metálicas por plástico, por ejemplo, manteniendo al mismo tiempo el diseño óptico básico del microscopio (especialmente aquellos capaces de obtener imágenes de campos de visión extendidos) en los que una lente pesada constituye una gran parte del peso. Waziri aborda este desafío con lo que él llama “un enfoque basado en principios”. En lugar de intentar reducir el peso de un complejo sistema basado en lentes, aclaró cuáles eran los verdaderos objetivos de la tecnología: mapeo de alta resolución entre puntos en el volumen 3D de la muestra a puntos en la superficie 2D de la cámara. el problema. Con esto en mente, se propuso crear un sistema liviano que cumpliera con estos objetivos sin necesidad de adaptarse a un sistema de almacenamiento de imágenes basado en lentes.
“Todo el mundo utilizaba estas pesadas lentes de múltiples elementos e intentaba hacerlas más ligeras”, dice Waziri. En lugar de preguntar cómo hacer que las lentes sean más ligeras, resolvimos el problema inverso y esencialmente resolvimos el problema desarrollando una estrategia sin lentes y liberándonos de las limitaciones innecesarias de la formación de imágenes basadas en lentes.
Nuevo pensamiento = nuevo pensamiento
Ingrese los elementos ópticos difractivos (DOE). A diferencia de las lentes convencionales, que tienen una superficie curva continua para crear una curvatura esférica del frente de onda, las DOE utilizan microestructuras para manipular la luz mediante difracción, lo que permite un control preciso del uso de las ondas de luz. Son compactos, ligeros y eficaces. En microscopía, la función de una lente convencional es mapear puntos en el espacio de un objeto en un plano de imagen (como el sensor de una cámara), asegurando que la imagen formada se parezca a la escena original. Sin embargo, cuando uno intenta obtener imágenes de un campo de visión cada vez más amplio manteniendo la resolución, las aberraciones (aberraciones ópticas) causadas por una sola lente requieren más elementos de lente, lo que resulta en un diseño de lente compuesto.
Utilizando DOE, el laboratorio Waziri demostró que es posible mapear con precisión las posiciones entre la escena y el sensor sin imágenes y luego usar métodos computacionales para reconstruir la escena original.
Sin una lente compuesta voluminosa para reducir su peso, el minimicroscopio pesa solo 2,5 gramos y proporciona imágenes con una resolución lateral de 4 μm y una profundidad de campo de 300 μm en un campo de visión de 3,6 x 3,6 mm². Puede capturar grandes áreas del ratón. cerebro. , y una velocidad de grabación de 16 volúmenes por segundo. Y la mayoría de sus piezas se pueden imprimir en 3D o utilizar sensores de cámara de teléfonos móviles baratos y de consumo. “Si los laboratorios están interesados, pueden construir fácilmente estos microscopios a un costo menor”, afirma Waziri.
Las iteraciones futuras del minimicroscopio pueden incluir la transmisión de datos inalámbrica: el modelo actual viene con cables que no interfieren con un solo ratón, pero que pueden enredarse fácilmente al observar varios ratones interactuando entre sí. Una técnica que permite la observación de regiones del cerebro profundas dentro de la corteza.
“El sistema conlleva algunos sacrificios y no tiene tan alto rendimiento como los microscopios más grandes”, dice Vaziri. “Pero esta es una innovación clave, y sólo puede surgir si aportamos nuevas ideas al problema y nos liberamos de las limitaciones percibidas”.
