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Seguimiento del flujo de información en el cerebro
Los científicos del MIT han diseñado un sensor de calcio de tamaño nanométrico que eventualmente puede arrojar luz sobre las intrincadas comunicaciones de célula a célula que conforman el pensamiento humano. Alan Jasanoff y su equipo en el Laboratorio Francis Bitter Magnet y el Instituto McGovern de Investigación del Cerebro han descubierto que rastrear el calcio, un mensajero clave en el cerebro, puede ser una forma más precisa de medir la actividad neuronal, en comparación con las técnicas de imagen actuales, como las tradicionales técnicas magnéticas funcionales. imágenes de resonancia (fMRI).
Cuando una neurona se activa, libera calcio. Alan Jasanoff, del Instituto McGovern del MIT, utilizó esta observación para desarrollar una nueva forma de visualizar la actividad cerebral utilizando fMRI. Las nanopartículas superparamagnéticas (ilustradas aquí) están cubiertas de proteínas (rojo y verde) que se agregan cuando la neurona libera calcio. El imán de resonancia magnética puede detectar la agregación de estas partículas.
FMRI utiliza potentes imanes para detectar el flujo sanguíneo en el cerebro, lo que permite a los investigadores observar el cerebro humano en acción. A través de una serie rápida de instantáneas, los científicos pueden observar áreas clave del cerebro de una persona que se iluminan en respuesta a una tarea o comando determinado. La tecnología se ha utilizado para identificar las áreas del cerebro involucradas en todo, desde las habilidades motoras y verbales básicas hasta estados cognitivos más turbios como los celos, el engaño y la moralidad.
Desafortunadamente, la resonancia magnética funcional, tal como se usa hoy en día, tiene un gran inconveniente: mide el flujo sanguíneo o hemodinámica, que es una medida indirecta de la actividad de las células neurales. Resulta que la hemodinámica básicamente introduce un retraso de cinco segundos, dice Jasanoff. Evita que pueda detectar variaciones rápidas [en la actividad neuronal].
Dado que las neuronas generalmente se activan en el orden de milisegundos, las técnicas actuales de resonancia magnética funcional proporcionan solo una estimación aproximada de lo que está haciendo el cerebro en un momento dado. Las exploraciones de FMRI también tienen una resolución espacial relativamente baja, midiendo la actividad en áreas de 100 micrones, un volumen que normalmente contiene 10,000 neuronas, cada una con patrones de activación variables.
Los esfuerzos para ajustar la resonancia magnética funcional se han centrado en el desarrollo de imanes más fuertes y una mejor comprensión del flujo sanguíneo y su relación con la actividad cerebral.
Pero Jasanoff cree que existe una forma mejor y más precisa de rastrear la actividad neuronal. Él y su equipo están considerando el calcio como una medida directa de la activación neuronal. Cuando una neurona envía un impulso eléctrico a otra neurona, los canales específicos de calcio en la membrana de la neurona se abren instantáneamente, permitiendo que el calcio fluya hacia la célula. Es un cambio de señal muy dramático, dice Jasanoff.
Los sensores de calcio fluorescente ya se utilizan en imágenes ópticas superficiales, pero aún no se han aplicado a los tejidos cerebrales más profundos que son accesibles a través de los poderosos imanes de las máquinas de resonancia magnética funcional. Con ese fin, el laboratorio de Jasanoff se propuso diseñar un sensor de calcio que fuera detectable mediante fMRI. Para hacer esto, combinaron el sensor con una nanopartícula de óxido de hierro superparamagnético, esencialmente, un imán de tamaño molecular que puede ser captado por fMRI como imágenes de alto contraste.
El sensor en sí está compuesto por dos nanopartículas separadas, cada una recubierta con una proteína diferente: calmodulina y M13. En presencia de calcio, estas dos proteínas se unen. Básicamente ... creamos dos juegos de bolas de velcro, dice Jasanoff. Uno tiene ganchos y el otro tiene bucles, y solo se convierten en bolas de velcro en presencia de calcio. Las proteínas se deshacen cuando desaparece el calcio, una propiedad que podría ser útil para interpretar el flujo de actividad eléctrica en un circuito de neuronas durante una tarea determinada, algo que no es posible con la fMRI actual.
La investigación de Jasanoff es solo un primer paso hacia ese objetivo. Hasta ahora, ha probado el sensor en soluciones de probeta con y sin calcio, escaneando las interacciones con la resonancia magnética. Los resultados iniciales, publicados en un número reciente de la Actas de las Academias Nacionales de Ciencias, son prometedoras: los escáneres pudieron captar imágenes de alto contraste de las bolas con forma de velcro agrupadas en presencia de calcio. Aunque las imágenes solo fueron visibles después de muchos segundos, o incluso minutos, Jasanoff dice que el sensor es altamente modificable y planea mejorar su respuesta de tiempo en futuras pruebas. Por ahora, planea inyectar sensores de calcio en células individuales de moscas y eventualmente ratas.
Observadores externos como Greg Sorensen de la Escuela de Medicina de Harvard son cautelosamente optimistas acerca de esta nueva generación de imágenes cerebrales, particularmente para aplicaciones humanas. Sorensen, profesor asociado de radiología, se centra en la aplicación de técnicas de imagen novedosas al tratamiento de enfermedades neurológicas.
En algunos estudios, las partículas de óxido de hierro intracelulares han tenido un perfil de seguridad desfavorable en humanos, dice Sorensen. Si supiéramos que este método tiene algunos riesgos, pero a cambio podríamos identificar el mejor tratamiento para, digamos, la esquizofrenia, entonces el riesgo bien podría valer el beneficio.