La capacidad del cerebro para aprender proviene de la «plasticidad», en la que las neuronas editan 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 se pongan al día, y el tejido cerebral es famoso por dispersar la luz y desenfocar las imágenes. En papel Informes científicosUna colaboración entre ingenieros y neurocientíficos del MIT describe un nuevo sistema de microscopía diseñado para obtener imágenes rápidas, claras y frecuentes de cerebros vivos.
El sistema, llamado «enfoque temporal de escaneo ortogonal multilínea» (mosTF), funciona escaneando el tejido cerebral con líneas de luz en direcciones perpendiculares. Al igual que con otros sistemas de imágenes cerebrales en vivo basados en la «microscopía de dos fotones», esta luz de barrido «excita» la emisión de fotones de las células cerebrales que están diseñadas para ser estimuladas para que emitan fluorescencia. El nuevo sistema demostró ser ocho veces más rápido que un detector de dos fotones punto por punto en las pruebas del equipo, y parecía tener una relación señal-fondo (una medida de la claridad de la imagen resultante) cuatro veces mejor que dos. -Sistema de fotones que solo escanea en una dirección.
«El seguimiento de los rápidos cambios en la estructura de los circuitos en el contexto del cerebro vivo sigue siendo un desafío», dijo la coautora Ellie Nedivi, profesora de neurociencia William R. (1964) y Linda R. Young en el Instituto Pickover para el Aprendizaje y la Memoria. y el MIT. Departamentos de Biología y Ciencias del Cerebro y Cognitivas. «Aunque la microscopía de dos fotones es el único método que permite la visualización de alta resolución de las sinapsis en tejidos profundamente dispersos, como el cerebro, el escaneo punto por punto requerido es mecánicamente lento. El sistema MostTF reduce significativamente el tiempo de escaneo sin perder resolución. «
Escanear una fila de muestra completa es intrínsecamente más rápido que escanear un solo punto, pero provoca mucha dispersión. Para gestionar esta dispersión, algunos sistemas de alcance simplemente descartan los fotones dispersos como ruido y luego los pierden, dijo el autor principal Yi Xue, profesor asistente en UC Davis y ex estudiante de posgrado en el laboratorio del autor correspondiente Peter TC So. ingeniería mecánica e ingeniería biológica en el MIT. Los sistemas más nuevos de una sola línea y la mayoría de TF producen una señal más fuerte (resolviendo así características más pequeñas y más débiles de las neuronas estimuladas) al desplazar algorítmicamente los fotones dispersos de regreso a su origen. En una imagen bidimensional, este proceso se realiza mejor utilizando información generada por un sistema direccional perpendicular bidimensional como mostTF, en lugar de un sistema unidireccional unidimensional, dijo Xue.
«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 asignar fotones a la línea de excitación y no puede lidiar con la dispersión en la línea», explicó Xue. «Por lo tanto, la corrección de dispersión de una imagen 2D sólo se realiza en una dimensión. Para dispersar en ambas dimensiones, necesitamos escanear la muestra y corregir la dispersión también en la otra dimensión, lo que da como resultado una estrategia de escaneo ortogonal».
En el estudio, el equipo probó su sistema utilizando un microscopio de barrido láser de dos fotones (TPLSM) y un microscopio de enfoque temporal de barrido lineal (lineTF). Obtuvieron imágenes de perlas fluorescentes a través del agua y de una solución con infusión de lípidos que simula mejor el tipo de dispersión que ocurre en los tejidos biológicos. En solución lipídica, mostTF produjo imágenes con una relación señal-fondo 36 veces mejor que lineTF.
Para obtener pruebas más definitivas, Xue trabajó con Josiah Boivin en el laboratorio de Nedivi para obtener imágenes de neuronas en los cerebros de ratones vivos anestesiados usando mostTF. Incluso en este entorno mucho más complejo, donde la pulsación vascular y el movimiento respiratorio añaden factores de confusión adicionales, la mayoría de los alcances de TF lograron una relación señal-fondo cuatro veces mejor. Es importante destacar que pudo detectar características donde residen muchas sinapsis: espinas que sobresalen a lo largo de procesos en forma de enredaderas o dendritas que crecen en el cuerpo celular neuronal. Monitorear la plasticidad requiere ser capaz de observar cómo estas espinas crecen, se encogen, van y vienen por toda la célula, dijo Nedivi.
«Nuestra colaboración continua con el laboratorio So y su experiencia en el desarrollo del microscopio nos ha permitido realizar estudios in vivo que no están disponibles con los microscopios de dos fotones convencionales», añadió.
Sin embargo, ya está planeando nuevas mejoras en la tecnología.
«Continuamos trabajando para lograr el objetivo de desarrollar microscopios aún más eficientes para observar la plasticidad de manera aún más eficaz», afirmó. «La velocidad de la mayoría de los TF todavía está limitada por la necesidad de utilizar cámaras de alta sensibilidad y bajo ruido, que a menudo son lentas. Ahora estamos trabajando en un sistema de próxima generación con nuevos tipos de detectores, como fotomultiplicadores híbridos o fotodiodos de avalancha. matrices, que son a la vez sensibles y rápidas».
