Un microscopio liviano captura la actividad cerebral a gran escala en ratones en movimiento

Ahora un nuevo estudio adentro Ingeniería Biomédica de la Naturaleza ofrece una solución innovadora a este problema: un microscopio que pesa sólo un centavo pero que puede capturar una amplia gama de actividad cerebral con una resolución sin precedentes. «Ser capaz de observar el cerebro mientras los ratones adoptan comportamientos naturales como la interacción social y la captura de presas mejorará nuestra comprensión de cómo la neuroactividad generalizada en todo el cerebro se relaciona con el comportamiento naturalista», dice Alipasha Vaziri, de Rockefeller, quien dirigió el estudio.

Microscopía del tamaño del ratón

Los mamíferos más grandes pueden caber en microscopios estándar montados en la cabeza, e incluso las ratas pueden soportar la tecnología, que pesa alrededor de 20 gramos, u ocho centavos de dólar. Sin embargo, los ratones, los principales organismos modelo para comprender el funcionamiento del cerebro, son mucho más pequeños. Los microscopios diseñados para ellos deben pesar menos de tres gramos.

«En los últimos años, hemos visto una explosión de microscopios montados en cabezas en ratones, pero normalmente sólo admiten campos de imágenes de unos pocos cientos de micrómetros con resolución celular debido a la complejidad de diseño asociada para campos de visión más grandes con una penalización de peso insostenible. «, dice Vaziri. Los diseños que son lo suficientemente livianos para que los lleven los ratones siempre comprometen el campo de visión, la resolución y el rango de profundidad del microscopio (o una combinación de ellos) y están sujetos a artefactos inducidos por el movimiento.

Los intentos anteriores de superar esta limitación se han centrado en hacer que cualquier tecnología existente pese menos; por ejemplo, reemplazando las piezas metálicas con plástico manteniendo al mismo tiempo el diseño óptico básico de los microscopios (especialmente aquellos capaces de obtener imágenes de campos de visión ampliados). la lente constituye la mayor parte del peso. Vaziri abordó este desafío con lo que él llama un “enfoque de principios”. En lugar de intentar hacer que un sistema complejo basado en lentes pese menos, aclaró cuáles son los verdaderos objetivos de la tecnología: resolver el problema del mapeo de alta resolución entre puntos en el volumen 3D de la muestra y puntos en la superficie 2D de la cámara. . Con esto en mente, se propuso crear un sistema liviano que cumpliera con estos objetivos sin sentir las limitaciones de tener que adaptarse a un sistema de lentes que retienen la imagen.

«Todo el mundo tomaba estas pesadas lentes de múltiples elementos y trataba de hacerlas más ligeras», dice Vaziri. «En lugar de preguntar cómo hacer que las lentes sean más ligeras, resolvimos el problema inverso y lo solucionamos desarrollando una estrategia sin lentes y eliminando las limitaciones innecesarias de las imágenes basadas en lentes».

Nuevo pensamiento = nuevo enfoque

Ingrese los elementos ópticos difractivos (DOE). A diferencia de las lentes convencionales, que tienen una superficie curvada continuamente 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 de las ondas de luz. Son compactos, ligeros y eficientes. En microscopía, la función tradicional de una lente es mapear puntos en el espacio del objeto en el plano de la imagen (como el sensor de una cámara), asegurando que la imagen resultante se parezca a la escena real. Sin embargo, cuando se intenta producir una imagen con un campo de visión cada vez mayor manteniendo la resolución, los errores (aberraciones ópticas) introducidos por una sola lente llevan a la necesidad de más elementos de lente, lo que resulta en un diseño de lente compuesto.

Usando DOE, el laboratorio de Vaziri demostró que es posible mapear con precisión posiciones entre una escena y un sensor sin crear una imagen, y luego usar técnicas computacionales para reconstruir la escena original.

Sin una gran lente compuesta que lo pese, el minimicroscopio pesa solo 2,5 gramos y proporciona imágenes que pueden capturar grandes secciones del cerebro del ratón en un campo de visión de 3,6 x 3,6 mm² con una resolución lateral de 4 μm y una profundidad de campo de 300 μm. , 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, podrían construir fácilmente estos microscopios a bajo coste», afirma Vaziri.

Las iteraciones futuras del mini microscopio pueden incluir transmisión de datos inalámbrica (el modelo actual presenta cables que no interfieren con ningún ratón, pero que pueden enredarse fácilmente al observar varios ratones interactuar entre sí) y tecnología que permite observar regiones cerebrales más profundas. en la corteza.

«El sistema implica algunos sacrificios y no tiene el mismo rendimiento que los microscopios más grandes», afirma Vaziri. «Pero es una innovación importante, y sólo podría surgir de abordar el problema con nuevas ideas y liberarse de las limitaciones percibidas».