Creierul nu este o colecție de regiuni care funcționează independent, ci o rețea uriașă în care milioane de neuroni comunică permanent prin impulsuri electrice. Pentru a înțelege cum ia naștere un comportament, o amintire sau chiar o emoție, cercetătorii trebuie să urmărească nu doar activitatea unor neuroni izolați, ci modul în care populații întregi de neuroni lucrează împreună. O nouă tehnologie dezvoltată la MIT aduce acest obiectiv mai aproape de realitate: imagistica de mare viteză a creierului permite observarea activității electrice a neuronilor distribuiți în întregul creier al unui organism experimental, la o scară de timp de ordinul milisecundelor.
Rezultatele, publicate în revista Nature Methods, au fost obținute pe larve de pește-zebră (Danio rerio), un model experimental foarte utilizat în neuroștiințe. Cercetătorii au reușit să scaneze întregul creier al animalului de 200 de ori pe secundă, adică o imagine completă la fiecare aproximativ 5 milisecunde. Pentru prima dată, o astfel de abordare permite urmărirea simultană a activității electrice a neuronilor răspândiți în regiuni diferite ale creierului.
De ce este atât de importantă viteza în studiul creierului?
Neuronii comunică prin impulsuri electrice extrem de rapide. Atunci când un neuron generează un potențial de acțiune, schimbarea tensiunii membranare se produce într-un interval foarte scurt. Dacă metoda de observare este prea lentă, cercetătorii pot vedea doar o imagine generală a activității, fără să surprindă evenimentele individuale care construiesc această activitate.
Una dintre cele mai folosite metode optice pentru studierea neuronilor este imagistica de calciu (adesea cu referire la scorul de calciu coronarian, dar care poate însemna și o tehnică avansată de cercetare în neuroștiințe care vizează activitatea celulară). Ea exploatează faptul că, după activarea electrică a unui neuron, ionii de calciu pătrund în celulă. Prin marcarea fluorescentă a calciului, cercetătorii pot identifica neuronii activi.
Problema este că modificările concentrației de calciu sunt mai lente decât evenimentul electric care le-a provocat. Prin urmare, imagistica de calciu poate indica faptul că un neuron a fost activ, dar nu este suficient de rapidă pentru a surprinde cu fidelitate fiecare impuls electric individual. MIT subliniază că activitatea poate fi urmărită prin această metodă la scări de timp de ordinul secundelor sau chiar mai mari, în timp ce procesele electrice relevante pentru calculul neuronal au loc în milisecunde.
Aici intervine imagistica de voltaj (voltage-sensitive dye imaging sau VSDi). În loc să urmărească un efect secundar al activării neuronale, aceasta încearcă să observe direct modificările electrice ale membranei neuronului.
Proteinele fluorescente care „simt” tensiunea neuronilor
Pentru a transforma activitatea electrică într-un semnal optic, cercetătorii folosesc așa-numiții indicatori de voltaj codificați genetic – proteine fluorescente care pot fi exprimate în neuroni.
Când tensiunea membranei neuronale se modifică în timpul unui impuls electric, aceste proteine își schimbă fluorescența. Un microscop suficient de rapid poate transforma astfel activitatea electrică într-o succesiune de semnale luminoase, făcând posibilă observarea neuronilor activi.
Această strategie fusese deja utilizată pentru a studia grupuri relativ mici de neuroni, de obicei într-o anumită regiune a creierului. Marea problemă era însă extinderea ei la un volum mult mai mare.
Un creier întreg înseamnă foarte multe celule și foarte multe planuri succesive care trebuie scanate. Dacă scanarea este prea lentă, între prima și ultima imagine se poate produce o schimbare completă a activității neuronale. Cercetătorii ar ajunge astfel să compare imagini care nu mai reprezintă aceeași stare a creierului.
Pentru a depăși această limitare, echipa MIT a modificat un tip de microscop cunoscut drept microscop cu iluminare în foaie de lumină (light-sheet microscope).
Cum funcționează noul microscop
Microscopia cu foaie de lumină folosește o „foaie” foarte subțire de lumină laser pentru a ilumina o secțiune a probei. Imaginea acelei secțiuni poate fi apoi combinată cu imaginile altor straturi pentru a reconstrui tridimensional un volum biologic.
Avantajul este că tehnica poate permite observarea unor volume mari, reducând în același timp iluminarea inutilă a probei. Însă, în cazul creierului, viteza de scanare devenea o limitare majoră.
Cercetătorii de la MIT au intervenit asupra a două componente esențiale. Au crescut viteza de achiziție a imaginilor și au accelerat scanarea microscopului printr-o tehnică numită reorientare focală la distanță (remote refocusing). Combinația celor două soluții a făcut posibilă scanarea întregului creier al larvei de pește-zebră de aproximativ 200 de ori pe secundă.
Rezultatul este remarcabil: în loc să urmărească pe rând câte o regiune a creierului, cercetătorii pot observa activitatea neuronală distribuită în întregul organ aproape simultan. Această diferență este esențială, deoarece neuronii aflați la distanță unii de alții pot participa la aceeași activitate cerebrală.
Ce au văzut cercetătorii în creierul peștelui-zebră
Pentru demonstrarea tehnologiei, cercetătorii au modificat genetic neuronii unor larve de pește-zebră astfel încât aceștia să exprime indicatorul de voltaj Positron2-Kv.
Proteina nu a produs semnale suficient de bune în fiecare neuron, însă aproximativ un sfert dintre neuroni au prezentat semnale utilizabile. Chiar și acest nivel a fost suficient pentru ca cercetătorii să poată observa activitatea distribuită în întregul creier.
În timp ce peștii se aflau în repaus, microscopul a surprins atât impulsuri electrice individuale, cât și explozii rapide de impulsuri.
Mai interesant a fost ceea ce s-a întâmplat după expunerea la lumină ultravioletă. Activitatea neuronală a apărut imediat în tectul optic, o regiune implicată în procesarea informațiilor vizuale provenite de la retină. Semnalul nu a rămas localizat într-un singur punct, ci s-a propagat de-a lungul tectului. Cercetătorii au observat, de asemenea, secvențe de activitate independente de stimul în grupuri de neuroni din cerebel și trunchiul cerebral.
Aceste observații oferă o perspectivă diferită asupra funcționării creierului. În loc să privim un neuron sau o regiune cerebrală ca pe o unitate izolată, putem începe să urmărim dinamica unei rețele întregi.
De la neuronul individual la creierul ca rețea
Una dintre marile provocări ale neuroștiințelor este să înțelegem cum apar funcțiile complexe din interacțiunea a numeroși neuroni. Un neuron individual poate genera impulsuri electrice, dar memoria, percepția, orientarea în spațiu sau comportamentul nu sunt produse de celule izolate. Ele apar din activitatea coordonată a unor rețele.
Aceasta este și ideea centrală din spatele noii tehnologii dezvoltate la MIT. Dacă cercetătorii pot observa voltajul neuronilor distribuiți în întregul creier, pot începe să urmărească modul în care informația se propagă și cum diferite regiuni se sincronizează sau își schimbă succesiv activitatea.
Pentru neuroștiințe, acest lucru poate fi comparat cu trecerea de la observarea câtorva becuri dintr-un oraș la vizualizarea întregii rețele electrice și a modului în care aceasta reacționează atunci când apare o cerere bruscă de energie. În cazul creierului, însă, „rețeaua” este mult mai complexă, iar evenimentele se desfășoară în milisecunde.
Ce urmează pentru imagistica de mare viteză a creierului
Tehnologia este încă experimentală și are limite importante. În studiul actual, doar aproximativ un sfert dintre neuronii analizați au furnizat semnale de voltaj suficient de bune. Cercetătorii urmăresc să crească proporția neuronilor vizibili, dar și viteza și rezoluția microscopului.
Un alt obiectiv este extinderea metodei către alte organisme experimentale, inclusiv șoareci.
Dacă aceste îmbunătățiri vor fi realizate, cercetătorii ar putea folosi tehnologia pentru a pune întrebări pe care metodele actuale le abordează cu dificultate: ce se întâmplă în întregul creier atunci când un animal ia o decizie? Cum se modifică activitatea neuronală în timpul unui comportament? Cum apar anumite stări cerebrale?
În perspectivă, tehnologia ar putea permite chiar investigarea unor stări complexe ale creierului, precum visarea cu ochii deschiși, prin identificarea tiparelor de activitate care apar în diferite momente. MIT precizează însă că acestea sunt direcții de cercetare și ipoteze care urmează să fie testate, nu rezultate deja demonstrate.
Sursa: MIT News