Mirando en el cerebro

En medio de una habitación a oscuras, un ratón muy especial yace inmóvil sobre la platina de un microscopio. Meses antes, al ratón se le cortaron dos pequeños agujeros en el cráneo, revelando la duramadre, la membrana externa del cerebro, y los vasos sanguíneos que se encuentran debajo. Los agujeros se han cubierto permanentemente con vidrio transparente para que los científicos puedan mirar directamente al cerebro del ratón, donde algunas de sus neuronas brillan en verde bajo la luz láser de un microscopio.

Para imágenes de este laboratorio de observación del cerebro, haga clic aquí .

Esta historia fue parte de nuestro número de septiembre de 2006

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Mientras el ratón anestesiado duerme, Wei-Chung Lee, un postdoctorado en el Centro Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT, toma una serie de fotografías de una sola neurona. Combinará estas fotos en una imagen tridimensional de la neurona y la comparará con una imagen de la misma célula creada hace una semana, para determinar cómo ha cambiado con el tiempo.

La técnica ha brindado a los científicos del MIT una mirada sin precedentes al sorprendente crecimiento de neuronas en el curso de la vida cotidiana de un ratón adulto. Ves la gama completa de tipos de crecimiento que ves durante el desarrollo, como brotes de crecimiento, extensiones, retracciones o nuevas incorporaciones, dice Elly Nedivi, profesora asociada de neurobiología en el MIT que dirige la investigación. Esto es lo que hace el cerebro a diario. Nedivi ayudó a desarrollar el nuevo procedimiento de imágenes en colaboración con Peter So, un experto en imágenes en el departamento de bioingeniería del MIT, con la esperanza de explorar mejor los cambios en redes complejas de proyecciones en forma de ramas que transmiten mensajes entre neuronas. Lo que ha descubierto es ayudar a cambiar la imagen científica del cerebro.

Érase una vez, los científicos pensaban que el cerebro adulto tenía una estructura mayoritariamente estática, que después de los brotes de crecimiento neuronal de la infancia y la adolescencia, las conexiones entre las neuronas se establecían de forma permanente, como una red de carreteras pavimentadas. Pero un creciente cuerpo de evidencia sugiere que el cerebro adulto tiene una sorprendente capacidad para reorganizarse. Nedivi y su equipo han brindado un nuevo apoyo a esta idea, proporcionando la primera prueba en animales vivos de que las proyecciones de intercambio de información de las neuronas pueden crecer y retraerse en la edad adulta, de manera cualitativamente similar a lo que hacen al principio de la vida.

Los neurocientíficos sabían que algunos cambios neuronales deben tener lugar en el cerebro adulto, porque seguimos aprendiendo durante toda la vida. Pero la gente no sabía si esa plasticidad iba acompañada de cambios estructurales, dice David Kleinfeld, neurocientífico de la Universidad de California en San Diego. Nedivi y sus colaboradores, dice, han demostrado que las neuronas de al menos un tipo particular continúan creciendo y evolucionando en el ratón adulto.

La clave del descubrimiento de Nedivi fue la capacidad de observar la misma neurona en un animal vivo semana tras semana. La mayoría de las investigaciones anteriores sobre la neuroplasticidad (la capacidad del cerebro para formar nuevas conexiones neuronales) examinaron cortes cerebrales, secciones del cerebro que se mantienen vivas durante un corto período de tiempo. Aunque tales estudios in vitro permiten a los científicos probar cómo las conexiones neuronales se ven afectadas por factores específicos, como descargas eléctricas o diferentes tipos de drogas, no pueden mostrar lo que les sucede a las neuronas en el cerebro vivo cuando un animal envejece o se desarrolla. una enfermedad, o se cría de forma aislada.

Mirar la misma célula durante un período de semanas puede revelar el lento crecimiento de las neuronas en el cerebro. Nedivi espera utilizar el proceso para determinar qué sale mal en los cerebros de ratones diseñados para modelar el Alzheimer y la esquizofrenia. Dichos estudios ofrecerán tanto nueva información sobre las enfermedades humanas como una forma de probar nuevas terapias.

Los investigadores también esperan determinar las mejores formas de estimular el crecimiento de las células cerebrales. Si se pudiera convencer a las neuronas para que desarrollen nuevas proyecciones en partes específicas del cerebro o la médula espinal, podrían compensar el daño causado por una lesión en la médula espinal o un derrame cerebral.

Un árbol floreciente

Para observar las neuronas en el cerebro vivo, Nedivi y sus colaboradores colocaron ventanas en los cráneos de ratones genéticamente modificados para producir un tinte fluorescente en unas pocas células cerebrales seleccionadas al azar. A través de las ventanas, toman fotografías de las neuronas fluorescentes utilizando un microscopio de dos fotones, un instrumento que crea imágenes de muy alta resolución.

Un láser ultrarrápido de titanio y zafiro envía paquetes de luz a través de una serie compleja de lentes y espejos, que dirige la luz hacia las células individuales del cerebro del ratón anestesiado. El tinte fluorescente en las neuronas seleccionadas se ilumina solo si dos fotones golpean una molécula de tinte exactamente al mismo tiempo, lo que permite obtener imágenes más precisas de las células. (Esta es la razón por la que la habitación debe estar completamente a oscuras: el detector de fotones del microscopio captaría cualquier luz extraña, lo que enturbiaría la imagen resultante. Los investigadores usan faros delanteros en caso de que necesiten ajustar el equipo).

Las neuronas constan de un cuerpo celular central y una serie de proyecciones ramificadas que se extienden a diferentes partes del cerebro para enviar y recibir señales eléctricas. Para capturar la estructura completa de una neurona determinada, el láser la escanea en secciones transversales horizontales, hundiéndose más profundamente en el cerebro con cada barrido. Los investigadores revisan las imágenes, que se asemejan a las pinturas de Jackson Pollock, y seleccionan las formas que corresponden a las proyecciones. Luego, un programa de computadora une las imágenes para crear un modelo 3D.

Para registrar cómo cambian las neuronas con el tiempo, los investigadores del MIT toman fotografías de la misma neurona cada semana durante varias semanas, utilizando vasos sanguíneos cercanos para ayudar a localizarla. En un artículo publicado a principios de este año en Biblioteca Pública de Biología Científica , el equipo demostró que las dendritas, las proyecciones que usan las neuronas para recibir información de otras células cerebrales, pueden crecer, retorcerse y doblarse, enviando nuevos brotes como un árbol en flor. Es muy poderoso; de hecho, puedes ver los cambios, dice Lee. Y debido a que las imágenes se obtienen de un animal vivo, dice, capturan el comportamiento del cerebro con mucha más precisión que las imágenes de un corte cerebral, en el que muchas de las conexiones neuronales se cortan.

Este tipo de crecimiento nunca se había visto antes en estudios de animales vivos. Estudios anteriores que utilizaron imágenes de dos fotones encontraron pequeños cambios estructurales en las espinas dendríticas, pequeñas protuberancias en la superficie de las dendritas. Pero estos estudios reconstruyeron solo pequeñas secciones de cada neurona. Al modelar células enteras, Nedivi y sus colegas pudieron ver cambios a mayor escala que anteriormente podrían haber pasado desapercibidos. Lo más emocionante de su trabajo es que muestra una cantidad inesperada de dinamismo en las neuronas, dice Josh Sanes, un neurocientífico de la Universidad de Harvard cuyo laboratorio diseñó los ratones utilizados en el estudio.

Además, el equipo de Nedivi descubrió que solo un cierto tipo de neurona sufre estos cambios. Los estudios anteriores se centraron en las neuronas excitadoras, que envían señales eléctricas que hacen que otras neuronas se activen. Las neuronas inhibidoras, por otro lado, liberan sustancias químicas que impiden que otras neuronas se activen. Son estas neuronas las que pueden extender y retraer nuevas proyecciones. Las neuronas inhibidoras son menos frecuentes en el cerebro que sus primos excitadores y están menos estudiadas.

Factores de crecimiento

Los primeros experimentos de Nedivi se centraron en ratones que llevaban una vida estándar de laboratorio, pero ahora que ella y su equipo han definido la cantidad normal de plasticidad neuronal adulta, pueden examinar cómo los diferentes factores ambientales o genéticos afectan el crecimiento del cerebro. Investigaciones anteriores, por ejemplo, mostraron que dar juguetes a roedores jóvenes o criarlos en un paisaje variado estimula el nacimiento de nuevas células cerebrales. Las imágenes de dos fotones permitirán a los investigadores explorar cómo la vida en un entorno complejo influye en la organización neuronal del cerebro. Lee ha comenzado recientemente a estudiar cómo la privación visual afecta la plasticidad neuronal en la corteza visual. Estos proyectos ayudarán a los investigadores a determinar si los diferentes entornos hacen que las neuronas de los animales crezcan más rápidamente o se reorganicen con más frecuencia, y si esos cambios eventualmente conducen a diferencias en el comportamiento.

Mientras tanto, dice Nedivi, se ha visto inundada de solicitudes de científicos que estudian enfermedades como el Alzheimer y la esquizofrenia. Una vez que caracterizamos el problema con cada enfermedad diferente, tal vez crezcan menos proyecciones o solo un cierto tipo de neurona se vea afectada, entonces podemos adaptar los tratamientos a ese problema, dice. También podríamos utilizar esta tecnología como plataforma para detectar terapias.

Por supuesto, cada experimento requerirá meses en el microscopio. Se necesitan horas para obtener una imagen de cada neurona y días para construir un modelo tridimensional a partir de las imágenes bidimensionales. Además, los científicos deberán comparar meticulosamente las neuronas de muchos animales para tener una idea de las diferencias entre el comportamiento de las células enfermas y el de las sanas. Desafortunadamente, el tiempo es algo que Nedivi no tiene actualmente; el laboratorio utiliza un microscopio personalizado en el laboratorio de So. Una vez a la semana, sus estudiantes guardan sus ratones en cajas y los llevan al laboratorio, para obtener imágenes de tantas neuronas como el tiempo lo permita. Pronto Nedivi espera conseguir los 500.000 dólares necesarios para instalar un instrumento en su propio laboratorio, lo que les daría a sus investigadores tiempo ilimitado para observar el cerebro en acción.

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