O nouă tehnică permite oamenilor de ştiinţă să observe tot sistemul nervos al unui mic vierme. Cercetătorii de la MIT şi Universitatea din Viena au creeat un sistem de imagistică. Acesta scoate la iveală activitatea neurală din creierul animalelor vii. Această tehnică, prima care poate genera filme în 3D ale întregului creier la o scară de timp de ordinul milisecundelor îi poate ajuta pe oamenii de ştiinţă să descopere cum pot reţelele neuronale să prelucreze informaţia şi să genereze comportamentul.
Echipa a folosit noul sistem pentru a obţine simultan imaginile fiecărui neuron al viermelui Caenorhabditis elegans, ca şi a întregului creier al unei lavre de peşte-zebră oferind o imagine mai completă a activităţii sistemului nervos decât a fost posibil mai înainte.
”Vederea activităţii unui singur neuron în creier, nu vă spune cum e prelucrată informaţia. Pentru asta, trebuie să ştiţi ce fac neuronii din amonte. Şi ca să înţelegi ce înseamnă activitatea unui anumit neuron, trebuie să ştiţi ce fac neuronii din aval, spune Ed Boyden, profesor asociat de inginerie biologică şi ştiinţe cognitive şi ale creierului la MIT, unul dintre liderii echipei de cercetători. ”Pe scurt, dacă vreţi să înţelegeţi cum e procesată informaţia, de la senzaţii la acţiune, trebuie să vedeţi întregul creier.”
Noua abordare descrisă în numărul din data de 18 mai al publicaţiei Nature Methods, ar putea, de asemenea, să-i ajute pe neurologi să afle mai multe despre bazele biologice ale tulburărilor mentale. ”Nu ştim bine, pentru fiecare tulburare mentală, care este mulţimea exactă de celule implicate”, spune Boyden. ”Capacitatea de a supraveghea activitatea completă a unui sistem nervos poate ajuta la localizarea cu precizie a celulelor sau reţelelor implicate într-o tulburare mentală, ducând la noi idei de terapii”.
Echipa lui Boyden a dezvoltat o metodă de cartografiere a creierului împreună cu cercetătorii de la laboratorul lui Alipasha Vazin de la Universitatea din Viena şi Institutul de Cercetări în Patologie Moleculară din Viena. Autorii principali ai articolului sunt Young-Gyu Yoon, absolvent al MIT, şi Robert Prevedel, un postdoctorand la Universitatea din Viena.
Imageria 3D de înaltă viteză
Neuronii codifică informaţia – datele transmise de simţuri, planurile motorii, stările afective şi gândurile – folosind impulsuri electrice numite potenţiale de acţiune, care fac ca ionii de calciu să pătrundă în fiecare celulă când se declanşează. Făcând proteinele fluorescente să strălucească atunci când leagă calciul, oamenii de ştiinţă pot vizualiza această declanşare electrică a neuronilor. Cu toate acestea, până acum n-a fost posibil să se vadă această activitate nervoasă într-un volum mare, în trei dimensiuni şi la mare viteză.
Scanarea creierului cu o rază laser poate produce imagini 3D ale activităţii neurale, dar ia mult timp să se capteze o imagine, deoarece fiecare punct trebuie scanat individual. Echipa de la MIT voia să realizeze o imagerie 3D asemănătoare, dar să accelereze procesul ca să poată vedea declanşarea neurală care, atunci când apare, durează doar câteva milisecunde.
Noua metodă se bazează pe o tehnologie larg utilizată numită imagerie light-field , care creează imagini 3D măsurând unghiurile razelor de lumină incidente. Profesorul asociat Ramesh Raskar de la catedra de arte şi ştiinţe media de la MIT şi autor al acestui articol, a lucrat mult la dezvoltarea acestui tip de imagerie 3D. Microscoapele care efectuează imagerie light-field au fost realizate mai înainte de multe grupuri de cercetători. În noul articol, cercetătorii de la MIT şi cercetătorii austrieci au optimizat microscopul light-field şi l-au folosit pentru prima dată pentru a vedea activitatea neurală.
Cu acest tip de microscop, lumina emisă de eşantionul supus examinării e trimisă printr-un ansamblu de lentile care refractează lumina în diverse direcţii. Fiecare punct al eşantionului generează vreo 400 de puncte diferite de lumină, care pot fi apoi reunite folosind un algoritm de calculator pentru a recrea structura în 3D.
”Dacă aveţi o moleculă care emite lumină în eşantionul dumneavoastră, în loc să o reconcentreze într-un singur punct pe cameră aşa cum fac microscoapele obişnuite, aceste lentile minuscule vor proiecta lumina ei în mai multe puncte. Din asta puteţi deduce poziţia în trei dimensiuni în care a fost molecula”, spune Boyden, care e membru al Media Lab de la MIT şi al Institutului McGovern pentru Cercetarea Creierului.
Prevedel a construit microscopul şi Yoon a elaborat strategiile computaţionale care reconstruiesc imaginile 3D.
Aravinthan Samuel, profesor de fizică la Universitatea Harvard, spune că aceasta pare a fi o cale ”extrem de promiţătoare” de a accelera imageria 3D a animalelor vii, aflate în mişcare şi să coreleze activitatea lor neuronală cu comportamentul lor. ”Ce este foarte impresionant în asta, este că e o implementare atât de elegantă şi de simplă”, spune Samuel, care n-a făcut parte din echipa de cercetare. ”Îmi pot imagina că multe laboratoare o vor adopta”.
Neuroni în acţiune
Cercetătorii au folosit această activitate neurală în viermele C elegans, singurul organism a cărui configuraţie de reţea neurală e cunoscută. Acest vierme de un milimetru are 302 neuroni, pe care cercetătorii i-au văzut în timp ce viermele se comporta natural, cum ar fi să se târască. Ei au observat şi răspunsul neuronal la stimuli senzoriali cum ar fi mirosurile.
Dezavantajul microscopiei light-field, spune Boyden, este că rezoluţia nu e aşa de bună ca cea a tehnicilor care scanează încet un eşantion. Rezoluţia obişnuită e destul de mare pentru a vedea activitatea fiecărui neuron, dar cercetătorii lucrează acum la perfecţionarea microscopului astfel încât să vadă părţi ale neuronilor cum ar fi dendritele lungi care ies din corpul principal al neuronului. Ei mai speră şi să mărească viteza de calcul care în prezent ia câteva minute pentru a analiza pentru secundă de date ale imaginii.
Cercetătorii mai au de gând să combine această tehnică cu optogenetica, cea care permite declanşarea neuronală prin iluminarea strălucitoare a celulelor pentru a pune în evidenţă proteinele sensibile la lumină. Stimulând un neuron cu lumină şi observând rezultatele din altă parte a creierului, oamenii de ştiinţă ar putea determina care neuroni participă la o anumită sarcină.
Alţi coautori de la MIT îi includ pe Nikita Pak, student la mecanică şi Gordon Wetzstein, cercetător la Media Lab. Lucrările de la MIT au fost finanțate de Institutul Allen pentru ştiinţa Creierului, Insitutul Naţional al sănătăţii, Proiectul MIT privind inteligenţa artificială, IET Harvey Prize, National Science Foundation (NSF), New York Stem Cell Foundation-Robertson Award, Google, NSF Center for Brains, Minds, and Machines de la MIT şi Jeremy şi Joyce Wertheimer.
Traducere de Alexandru Vilan după illuminating-neuron-activity-3d
