Una forma revolucionaria de mirar a las neuronas en el interior del cerebro.

El MIT crea un nuevo método para la obtención de imágenes cerebrales no invasivas profundas e intracelulares

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Una gran barrera en la neurociencia es la capacidad de los investigadores para realizar estudios en un cerebro vivo y en funcionamiento sin cirugía ni implantando sondas. Hoy, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) anunciaron un nuevo método para monitorear las señales de las neuronas en un cerebro vivo no invasivo y publicaron sus descubrimientos científicos en Nature Communications.

¿Cómo observan las neuronas los neurocientíficos?

Los científicos modernos han estado estudiando las neuronas utilizando imágenes de calcio durante muchos años. El calcio es un buen indicador porque los niveles de concentración de calcio en las neuronas son notablemente diferentes cuando están en reposo que cuando están activos. El nivel de concentración de calcio intracelular en las neuronas de los mamíferos es de alrededor de 50-100 nanomolar en reposo, y en cualquier lugar a 10-100 veces mayor cuando se excita.

Con frecuencia, los neurocientíficos imaginan la actividad de las neuronas para la investigación no invasiva en una placa de laboratorio con células cultivadas. Si bien es posible observar la actividad en profundidades poco profundas de aproximadamente un milímetro en el tejido intacto, para profundizar requiere técnicas más invasivas que pueden requerir cirugía para instalar sondas.

¿Qué hace que este descubrimiento sea un gran avance?

Alan Jasanoff, profesor del MIT y autor principal del artículo, describe su descubrimiento de la investigación, la “primera detección basada en MRI de la señalización de calcio intracelular” para permitir mediciones de actividad en el interior de un cerebro vivo.

Los otros miembros de la investigación incluyen a Ali Barandov y Benjamin B. Bartelle (autores principales), junto con los colaboradores Catherine G. Williamson, Emily S. Loucks y Stephen J. Lippard.

El equipo creó una forma original de visualizar la actividad de las neuronas en animales vivos de forma profunda y no invasiva. El diferenciador clave es que este sensor basado en imágenes de resonancia magnética no invasiva (IRM) funciona intracelular, dentro de las neuronas, frente a fuera de la célula. Ahora los neurocientíficos tienen un método para no solo estudiar las neuronas de manera amplia sino también profundamente en los cerebros de los animales vivos sin la necesidad de cirugía ni sondas invasivas.

¿Cómo lo hizo el equipo del MIT?

Aquí es donde la química, la física y la comprensión de la tecnología de resonancia magnética magnética desempeñan un papel fundamental en el descubrimiento.

La resonancia magnética funciona al manipular los protones (partículas subatómicas cargadas positivamente) en el cuerpo. El cuerpo humano es principalmente agua, cuya fórmula química es H2O (dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno). El cuerpo promedio de un adulto es alrededor del 60-70 por ciento de agua, y el 75 por ciento en los niños. Cuando el cuerpo humano se coloca en un poderoso campo magnético, los protones en el centro de cada uno de los átomos de hidrógeno del cuerpo se alinean en la misma dirección.

Las ráfagas cortas de ondas de radio se envían a las áreas objetivo del cuerpo, interrumpiendo la alineación de los protones en el proceso. Una vez que se detienen las ondas de radio, los protones que se realinean transmiten señales de radio que contienen información sobre la ubicación y el tipo de tejido del protón: los protones en varios tipos de tejidos se realinean a velocidades variables con señales distintivas. El protón señala desde la imagen.

Para mejorar la calidad de la imagen se requiere mayor contraste. Los agentes químicos de contraste de elementos metálicos se utilizan con un quelante para mejorar las imágenes de MRI. Los quelantes sirven como un aglutinante para evitar que el metal se asiente en el cuerpo humano como medida de seguridad.

La clave de la solución de los investigadores del MIT es que crearon un indicador que puede penetrar las paredes celulares de una neurona y crean una señal que puede ser captada por imágenes de resonancia magnética basadas en la concentración de calcio dentro de las células.

Los investigadores del MIT crearon un sensor de calcio permeable a las células para la RMN molecular dependiente de calcio utilizando una combinación de un agente de contraste hecho de manganeso (un metal) con un compuesto orgánico y un quelante de calcio que puede formar enlaces a un ion metálico.

Cuando las neuronas están en reposo y la concentración de calcio en el interior es relativamente baja, el quelante de calcio formará enlaces químicos con el manganeso.

Pero cuando la neurona está excitada y la concentración de calcio dentro de la célula es significativamente mayor, el enlace del quelante del calcio con el manganeso se liberará para formar enlaces con el calcio.

El aumento de manganeso dentro de la célula aumentará el contraste y, por lo tanto, el brillo de la imagen MRI. Los sensores del equipo son capaces de identificar y monitorear esos cambios.

¿Por qué este descubrimiento importa?

Los investigadores han creado un útil para permitir la precisión de los estudios neurocientíficos. En lugar de rastrear los cambios en el flujo sanguíneo en el cerebro a través de la MRI funcional (fMRI), los científicos ahora pueden medir la señalización que se produce dentro de las células, que es más precisa en órdenes de magnitud.

Los mecanismos exactos de cómo funciona el cerebro permanecen en gran parte, una caja negra. Tener un método para observar el funcionamiento interno profundo del cerebro es vital.

La neurociencia es un área crítica de la investigación científica que afecta a muchas otras disciplinas. Es una rama multidisciplinaria de la biología que integra la psicología, la farmacología bioquímica, la citología, la biología molecular, el modelado matemático, la biología del desarrollo y la anatomía.

Los descubrimientos en neurociencia conducen al avance en medicina, biotecnología, productos farmacéuticos e incluso tecnología. Por ejemplo, el reciente auge de la inteligencia artificial (IA) se debe en gran parte al aprendizaje profundo, que es un método de aprendizaje automático que consiste en elementos estructurales tales como capas de red neuronal y nodos (análogos a las neuronas) que fueron inspirados por el cerebro biológico.

La demografía del mundo está cambiando, poniendo un mayor énfasis en la neurociencia, el estudio del cerebro y el sistema nervioso. Según las estimaciones de las Naciones Unidas, para 2050, las personas mayores de 60 años representarán casi el 25 por ciento o más de la población en todas las regiones del mundo, excepto África.

Las enfermedades y trastornos relacionados con la edad son un problema creciente a medida que aumenta la edad promedio de la población mundial. Los problemas de salud mental comunes a los adultos mayores incluyen demencia, Alzheimer, Parkinson, convulsiones, trastorno bipolar, esquizofrenia, depresión, ansiedad, ELA (enfermedad de Lou Gehrig) y deterioro cognitivo. Esto subraya una mayor necesidad de estudios neurocientíficos para abordar este problema creciente.

Hay muchas preguntas sin respuesta con respecto al cerebro. ¿Qué sucede en nuestro cerebro cuando dormimos, soñamos o nos sometemos a anestesia general? ¿Cuál es la base neural de la percepción? ¿Cómo forma el cerebro una experiencia consciente única a partir de diversos aportes sensoriales distribuidos? ¿Cuál es la naturaleza misma de la conciencia misma? Comprender el funcionamiento interno de las neuronas en un cerebro vivo puede llevar a soluciones futuras que mejoren la condición humana y ayudar a responder algunos de los misterios más grandes que desconciertan a la humanidad.

Y así es como tener la capacidad de observar profundamente la actividad intracelular de las neuronas en el cerebro puede llevar a avances científicos que tengan un impacto profundo en el futuro de la humanidad.

Referencias

Barandov, Ali, Bartelle, Benjamin B., Williamson, Catherine G., Loucks, Emily S., Lippard, Stephen J., Jasanoff, Alan. “Detección de iones de calcio intracelulares utilizando un agente de contraste de MRI a base de manganeso”. Nature Communications. 22 de febrero de 2019.

Trafton, Anne (2019, 22 de febrero). “El nuevo sensor de IRM puede generar imágenes de la actividad dentro del cerebro”. Obtenido el 2-22-20109 en http://news.mit.edu/2019/mri-calcium-sensor-image-brain-0222

Grienberger, Christine, Konnerth, Arthur. “Imágenes de calcio en las neuronas”. Neurona . 8 de marzo de 2012.

NHS. “Exploración de MRI: descripción general”. Obtenido el 2-22-2019 de https://www.nhs.uk/conditions/mri-scan/

Richter, Brian. “Agua que camina. H20 y el cuerpo humano. ” National Geographic. 6 de marzo de 2012.

NIH (2018, 9 de febrero). “El agente de contraste de MRI alternativo se desempeña bien en un estudio de NIH”. Obtenido el 2-22-2019 de https://www.nibib.nih.gov/news-events/newsroom/alternative-mri-contrast-agent-performs-well-nih -estudiar

Las Naciones Unidas. “Envejecimiento”. Obtenido el 2-22-2019 de http://www.un.org/en/sections/issues-depth/ageing/

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