sábado, 23 de septiembre de 2017

Mapeando la retina



Networks of neurons in the mouse retina
Redes de neuronas en la retina del ratón. Las células verdes forman una red eléctrica acoplada;
 las células rojas expresan un marcador fluorescente distintivo para distinguirlas de otras células; 
las células azules se etiquetan con un anticuerpo contra una enzima que produce óxido nítrico, 
importante en la señalización retiniana.
 Estas imágenes ayudan a identificar los tipos de células de la retina, 
sus moléculas de señalización y sus patrones de conectividad.
Imagen: Jason Jacoby y Gregory Schwartz, de la Universidad Northwestern


Para Gregory Schwartz, Investigador, trabajar en total oscuridad tiene sus beneficios. Sólo en ausencia de luz puede Schwartz aislar las neuronas en reposo de la retina del ojo y estimularlas con luz (su excitante natural) para que disparen señales eléctricas. Tales señales no sólo proporcionan una lectura de las propiedades intrínsecas de cada neurona, sino información que permite al investigador de la visión deducir cómo funciona y como forja conexiones con otras neuronas.

La retina es el tejido neural sensible a la luz que recubre la parte posterior del ojo. Aunque sólo tiene el tamaño de un sello de correos, cada una de nuestras retinas contiene alrededor de 130 millones de células y más de 100 tipos de células distintas. Estas células están organizadas en múltiples capas de procesamiento de información que trabajan juntas para absorber la luz y traducirla en señales eléctricas que fluyen a través del nervio óptico hasta el centro visual apropiado en el cerebro. Al igual que otras partes del ojo, la retina puede dañarse, y las enfermedades de la retina, incluyendo la degeneración macular relacionada con la edad, la retinitis pigmentosa y la retinopatía diabética, siguen siendo las principales causas de pérdida de visión y ceguera en todo el mundo.

En su laboratorio en la Facultad de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern, en Chicago, Schwartz realiza investigación básica, que es parte de un esfuerzo mucho mayor entre los investigadores de la visión, para ensamblar una lista de piezas que explique todos los tipos celulares necesarios para hacer una retina. Una vez que Schwartz y otros investigadores se acerquen a la conclusión de esta lista, el siguiente paso será elaborar los detalles del cableado interno de la retina para comprender mejor cómo se generan las señales visuales. Este tipo de información  contiene la clave para detectar las enfermedades de la retina en su estado inicial y de forma más precisa, y permitiría la reparación de los circuitos mal conectados que afectan a la visión, y tal vez incluso más adelante se podría abordar la creación de una retina protésica mejorada.



Resultado de imagen de David Hubel y Torsten Wiesel


Schwartz centra la mayor parte de su atención en la quinta capa más interna de la retina, que se compone principalmente de neuronas llamadas células ganglionares. Aunque el conteo continúa, se estima que hay más de 40 tipos de células ganglionares. Estas células se autoorganizan en circuitos que se especializan en extraer una característica específica de una señal visual y procesarla aún más. Este proceso es complejo y asombroso. De hecho, Schwartz calculó que estas células continuamente emiten información, desde cada punto en el espacio visual, destinada al cerebro, mediante 150 vías visuales diferentes. Cada vía proyecta información específica, tal como forma, color, contraste, movimiento, dirección y ubicación.

Este año, Schwartz y Amurta Nath, estudiante de Northwestern, informaron haber descubierto dos nuevos tipos de células ganglionares de la retina que seleccionan la orientación, es decir, informan al cerebro si un objeto se coloca vertical u horizontalmente. Curiosamente, los neurólogos David Hubel y Torsten Wiesel ganaron el Premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1981 por descubrir la orientación selectiva en la corteza cerebral. El último descubrimiento muestra que la retina transmite al cerebro una señal de orientación paralela.


Schwartz y sus colegas se están dedicando a generar estrategias para desmontar y recomponer, o "hacer ingeniería inversa", varias partes de la retina del ratón. El primer paso en el proceso es idear métodos para determinar cómo interactúan las células ganglionares, así como a detectar la forma en la que varios tipos de células de la retina se conectan para formar circuitos. La creación de esta "matriz de conectividad" implicará un etiquetado preciso de las distintas células y sinapsis.

Para Schwartz, el paso dos será ir más allá de una descripción puramente anatómica de las células y comenzar a definir cómo funcionan estos circuitos con múltiples componentes. El objetivo es conseguir que al excitar las células individuales dentro de un circuito con un patrón definido de luz, se pueda predecir con precisión la fuerza y ​​la duración de la señal eléctrica que cada célula va a generar.

Para lograr esta proeza, se requerirá un modelado informático muy sofisticado. Schwartz, con formación en biología computacional, piensa que ese trabajo debe basarse en una comprensión detallada de los diferentes tipos de células, su fisiología, y su comportamiento de señalización a menudo complejo, no lineal. Este acercamiento ascendente a la modelización informática requiere un gran esfuerzo, pero Schwartz piensa que es la única manera de obtener la matemática correcta.

Durante su formación postdoctoral, Schwartz quería aplicar sus habilidades computacionales para mapear el cerebro con sus decenas de miles de millones de células y conexiones. Schwartz rápidamente se dio cuenta de que esto  sería una tarea abrumadora. Entonces, durante una rotación requerida en un laboratorio de investigación de la visión, quedó fascinado por la retina y el conocimiento que puede ser obtenido estudiando un sistema neural mucho más pequeño, más simple, cuyo único input es la luz y su única salida es predecible ya que transcurre a través del embudo que forma el  nervio óptico. A diferencia de la cartografía de todo el cerebro, Schwartz decidió que la cartografía de la retina era algo que realmente podría ser un proyecto realizable en unos pocos años.

Si este tipo de mapeo neuronal detallado puede lograrse para la retina, proporcionará más ímpetu para el esfuerzo de identificar y mapear todos los circuitos en el cerebro humano, que es el  objetivo específico de la Iniciativa norteamericana BRAIN (Investigación del Cerebro a través de Neurotecnologías Innovadoras).



Basado en:  Cardinal orientation selectivity Is represented by two distinct ganglion cell types in mouse retina. Nath A, Schwartz GW. J Neurosci. 2016 Mar 16;36(11):3208-3221.

jueves, 14 de septiembre de 2017

La persistencia de las huellas neurales


Nuestros cerebros tienen un cuadro detallado de nuestras manos y dedos, que persiste incluso décadas después de una amputación, según se ha  descrito en el estudio publicado por investigadores de la Universidad de Oxford. El hallazgo podría tener implicaciones para el control de las prótesis de nueva generación.




Según detalla la líder del equipo de investigadores, la Dra. Tamar Makin: "Se creía que la imagen de la mano en el cerebro, localizada en la corteza somatosensorial primaria, sólo podía mantenerse si había una entrada sensorial regular desde la mano representada. De hecho, los libros de texto enseñan que la "imagen" se “sobrescribirá” si se detiene la entrada de impulsos nerviosos procedentes del miembro referido. Si ese fuera el caso, las personas que han sufrido una amputación de la mano mostrarían una actividad extremadamente baja o nula relacionada con su enfoque original en esta área del cerebro, en este caso, la mano. Sin embargo, también se conoce que la gente experimenta sensaciones fantasma de partes del cuerpo amputadas, ya que la intención de mover ese miembro inexistente, se puede “sentir” como si se hubiera movido realmente.

Por ello, los investigadores se propusieron estudiar  la información subyacente a la actividad cerebral en los movimientos fantasma, para ver cómo variaba respecto a la actividad cerebral de las personas moviendo manos y dedos reales.

El equipo de investigadores del Laboratorio de Oxford utilizó un escáner de Resonancia Magnética MRI de Ultra Alta Potencia (7 Tesla) para observar la actividad cerebral en dos personas que habían perdido la mano izquierda mediante  amputación hacía 25 y 31 años, pero que todavía experimentaban sensaciones fantasma vívidas, y como grupo de control estudiaron once personas que mantenían ambas manos y eran diestros. A cada persona se le pidió que moviera los dedos de su mano izquierda de forma individual.

Según indicaba la publicación encabezada por la Dra. Sanne Kikkert, encontraron que, aunque había menos actividad cerebral relacionada con la mano izquierda en los amputados, los patrones específicos que componían la composición de la imagen de la mano seguían igualando a las personas del grupo de control, que mantenían todos sus miembros.






Representation of the left hand fingers in the brain




El equipo confirmó los resultados trabajando con un tercer amputado, que había experimentado una pérdida de cualquier comunicación entre la parte restante de su brazo y su cerebro. Incluso esta persona tenía una representación residual de los dedos de su mano desaparecida, 31 años después de su amputación.

Uno de los participantes en el estudio fue Chris Sole. Chris, cuya mano fue amputada en 1989, ha participado en varios estudios y ha sido elegido para este estudio específicamente por el fuerte sentido del movimiento en su mano amputada que todavía experimenta. Explicó: "Sientes que puedes mover los dedos y tienes control individual de cada uno de ellos”.

El estudio actual brinda una nueva oportunidad para desbloquear una de las preguntas más intrigantes sobre la capacidad del cerebro para cambiar adaptativamente a nuevas circunstancias: ¿qué sucede con el cerebro una vez que se pierde una entrada clave? Para responder a esta pregunta, los científicos hasta ahora han recurrido a estudiar las representaciones de los inputs restantes (no afectados) para ver si estos han cambiado. Este enfoque deja sin explorar la posibilidad de que la función original del cerebro pueda estar preservada, aunque de forma  latente. Al estudiar las sensaciones fantasmas en los amputados, estos hallazgos derriban el pensamiento establecido en la neurociencia, al mostrar que el cerebro mantiene la actividad, a pesar de un cambio drástico en las estradas de estímulos.

Al demostrar una topografía estable a pesar de la amputación, este hallazgo cuestiona hasta qué punto es necesario un aporte sensorial continuo para mantener la organización en la corteza sensorial, reabriendo así la cuestión de lo que sucede con un territorio cortical una vez que se pierde su input principal.

Estos hallazgos que proporcionan una nueva visión sobre la plasticidad del cerebro, son compatibles con otros estudios de la corteza visual del cerebro, que descubrieron que la enfermedad ocular degenerativa, que limita la entrada de estímulos visuales, no cambiaba la representación cerebral del campo visual.

Según Sanne Kikkert, investigadora principal de este estudio: "Parece que incluso, tal como se pensaba anteriormente, el cerebro realiza una reorganización cuando se pierden inputs sensoriales, pero no borra la función original de un área cerebral".



La topografía se preserva a pesar de la ausencia de input periféricos


"Esto eliminaría una barrera a la neuroprostética -extremidades protésicas controladas directamente por el cerebro-  generada por la suposición de que una persona perdería el área del cerebro que pudiera controlar la prótesis. Si el cerebro retiene una representación de los dedos individuales, esto podría ser explotado para proporcionar el control fino necesario.



lunes, 4 de septiembre de 2017

Impresionantes imágenes de neurociencia



Los investigadores del QBI - Instituto del Cerebro de Queensland - están produciendo hermosas imágenes en el proceso de estudio del cerebro. Éstas son sólo algunas de ellas.







Axones en flor: esta imagen proviene del hipocampo, una región del cerebro importante para el aprendizaje y la memoria. Imagen de Iris Wang







A medida que las neuronas crecen en el cultivo in-vitro, desarrollan redes extensas y establecen conexiones entre sí. Las neuronas mostradas aquí se han incubado con una proteína, mostrada en rosa, que se une a estas regiones sinápticas. Imagen de Callista Harper.








El citoesqueleto de actina en las células neurosecretorias experimenta una dramática transformación después de la estimulación. La imagen muestra una reconstrucción en 3D de la red de actina cortical basal. La imagen se tomó seis minutos después de la estimulación con Ba, que causa la secreción. En respuesta, la red de actina cortical experimenta una  remodelación. Los anillos de acto-miosina II se ven en la parte inferior izquierda de la forma celular ayudan a recuperar las vesículas secretoras que se han fusionado con la membrana plasmática. Imagen de Andreas Papadopulos, Laboratorio Meunier






Parte de la misión central del QBI es entender los procesos fundamentales del cerebro. Para hacer eso, a menudo trabajan con el gusano simple (C. elegans). Este gusano tiene apenas 1 mm de adulto y tiene exactamente 302 neuronas. Este sistema simple hace el estudio de las neuronas mucho más fácil. Las neuronas motoras de C. elegans inervan el cuerpo del gusano entero, por lo que cuando se visualizan con proteínas fluorescentes muestran el perfil del animal, que convenientemente han formado las siglas QBI. Imagen de Nick Valmas.







Se trata de una sección histológica  del hipocampo con los cuerpos celulares teñidos de azul. Las membranas neuronales están en rojo, y los botones presinápticos activos y los núcleos celulares en verde. Imagen de Rodrigo Suárez.






Nuestros cerebros son máquinas increíbles, y tienen una gran variabilidad entre las personas. Aquí hay imágenes escaneadas de 15 cerebros de estudiantes universitarios que muestran las similitudes y diferencias en forma y pliegues. Imagen de Veronika Halasz, ex estudiante en el laboratorio de Cunnington, que estudia cómo el cerebro procesa la atención y predice acciones.






Los axones (las prolongaciones de una neurona) del hipocampo están finamente separados (mostrados como las líneas azules) y marcados con toxinas coloreadas (mostradas en verde y rojo). Imagen por el Dr. Iris Wang en el laboratorio de Anggono, que está explorando la plasticidad neural y cómo  se controlan los receptores para el glutamato en la comunicación entre las neuronas.






Esta proyección de tres capas de una célula ganglionar en la retina del ojo muestra cada una de las ramas neuronales (dendritas) codificadas por colores según su profundidad en la retina. (Rojo> verde> azul). Un estudio reciente del profesor Williams mostró que las dendritas no son sólo estructuras pasivas para transmitir señales, sino que son activas en el procesamiento de información sobre el movimiento de luz. Imagen de Ben Sivyer.








¿No son hermosas las neuronas? Las células del primer lóbulo óptico (lámina) de los camarones transmiten la información al segundo lóbulo óptico (médula). Mientras que los seres humanos ven en 3 canales, los camarones utilizan al menos 12, ¡incluyendo la luz UV y polarizada! Tienen el sistema visual más complejo  conocido de cualquier animal en el mundo. Imagen de Hanne Thoen del laboratorio Marshall, que investiga la neurociencia de la visión.







Imagen de un solo plano de una neurosfera, una bola de células crecidas a partir de una sola célula madre. Las células gliales (naranja) y los núcleos celulares (púrpura) han emigrado desde el centro de la esfera. La neurona ocasional (agua) también ha escapado del centro negro de la esfera. De archivo: Chanel Taylor.






Esta imagen de un  remolino en forma de vórtice  es una representación del esfuerzo que soportan  las células cerebrales. Las células de cada lado del cerebro deben recorrer un largo camino a través del complejo entorno de la línea media para establecer conexiones.
Imagen de Laura Morcom.







Dos neuronas se entrelazan, formando conexiones y proporcionándose apoyo mutuo para el crecimiento. En esta hermosa imagen etérea así se nos muestran. Por Nadia Cummins.






Donde el arte se encuentra con la ciencia. Un bosque de neuronas. Las neuronas corticales (del cerebro) aquí están teñidas  y aumentadas 20 veces. Imagen de Chanel Taylor.






Esta imagen muestra la dirección del vuelo y los patrones del ala del periquito común, al volar a través de una brecha. Las aves son "conscientes del cuerpo", y pueden volar a través del follaje denso con alta precisión. La investigación del laboratorio de Srinivasan demuestra que los periquitos vuelan a través de aberturas más anchas que su envergadura sin cambiar la posición de sus alas, pero cierran sus alas cuando la abertura es más estrecha (a la izquierda). Imagen de Hong Vo e Ingo Schiffner.







Esta impresionante imagen es una instantánea de un seguimiento en vivo de la proteína mutante de bucle Munc18-1, que ha sido implicada en la aparición de epilepsia infantil y otras enfermedades neurodegenerativas. El Laboratorio Meunier examina algunas de las partes más pequeñas del cuerpo -proteínas a nivel molecular- para rastrear procesos moleculares de las células nerviosas y conocer cómo transmiten mensajes. Imagen de Ravi Kiran Kasula.






¿Estás hipnotizado? Esta imagen es un modelo estilizado simple que muestra la disposición de la corteza visual del cerebro.Imagen de J. Hunt.







Esta hermosa célula en forma de estrella es un astrocito. Son importantes para el sistema nervioso, ya que mantienen el entorno de trabajo de las neuronas. Imagen de Dana Bradford.







Esta imagen es la cabeza de una Drosophila melanogaster, también conocida como la mosca común de la fruta. Imagen captada con un microscopio de luz Zeiss. Imagen de Luke Hammond







Conseguido: una impresionante imagen de un ganglio de la raíz dorsal crecido en una matriz de colágeno 3D. Un ganglio de la raíz dorsal es un grupo de cuerpos de células nerviosas en la médula espinal. Imagen de Zac Pujic.







Truenos y relámpagos: las células (azul) en el cerebro se comunican a través de axones que comparten caminos comunes que parecen nubes de tormenta (amarillo). Estos axones se proyectan a largas distancias para hacer la sinapsis eléctrica que conectan las regiones distales del cuerpo. Imagen de Rob Sullivan







Una neurosfera diferenciada mostrada en cuatro colores. Las neuroesferas son grupos de células que se forman a partir de una única célula madre: dan a los científicos un método para investigar los precursores neuronales en el laboratorio. De archivo: Chanel Taylor






Fantásticas estructuras impulsan nuestra imaginación. Se trata de neuronas corticales cultivadas, marcadas con fluorescencia, para visualizar las células inhibidoras GABA (verde), los canales de calcio regulados por voltaje de tipo L (rojo) y los núcleos celulares (azul), dispuestos en un patrón que recuerda a los elefantes de patas grises del pintor Dalí. Imagen de Helen Gooch.



Basado en: https://www.instagram.com/qldbraininstitute/