Contiene 300 neuronas rastreadas en un extenso mapa de cableado cerebral
Un equipo de científicos del Campus de Investigación Janelia
ha realizado un gran esfuerzo para
aumentar el número de neuronas totalmente rastreadas en el cerebro del
ratón. Los investigadores y estudiosos de todo el mundo ahora pueden navegar y
descargar los datos tridimensionales ya que el resultado está a disposición
pública.
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| Las neuronas individuales se extienden a través del cerebro del ratón, en detalle de alta resolución. En esta reconstrucción, los investigadores marcaron manualmente los caminos sinuosos de tres neuronas (que se muestran en rosa, amarillo y blanco). Imagen : Janelia Research Campus, equipo del proyecto MouseLight |
Dentro del cerebro del ratón, las neuronas individuales
zigzaguean a través de los hemisferios, generan patrones de ramificación y,
como han mostrado los investigadores, a menudo extienden fibras delgadas de
casi medio metro de largo.
Los científicos pueden ver y explorar estas extensiones
nerviosas en 3-D, en el mapa más extenso del cableado del cerebro del ratón conseguido
hasta ahora. El mapa, resultado de un esfuerzo continuo de un equipo ecléctico
de investigadores en el Campus de Investigación Janelia, reconstruye la forma y
la posición de más de 300 de los aproximadamente 70 millones de neuronas existentes
en el cerebro del ratón.
"Trescientas neuronas es solo el comienzo", dice
el neurocientífico Jayaram Chandrashekar, quien dirige el equipo del proyecto
Janelia, llamado MouseLight por su trabajo que detalla los circuitos del
cerebro del ratón. Él y sus colegas esperan rastrear cientos de neuronas más en
los próximos meses, y están compartiendo toda la información con la comunidad
de neurociencia.
El equipo lanzó su conjunto de datos actual y una
herramienta de análisis, llamada MouseLight NeuronBrowser, el 27 de octubre de
2017, e informará del trabajo en noviembre en la reunión anual de la Sociedad
para la Neurociencia en Washington DC. Esperan que los hallazgos ayuden a los
científicos a investigar sobre cómo se organizan las neuronas y cómo fluye la
información a través del cerebro.
En un libro de texto de biología típico, las neuronas se
parecen a un huevo frito con una cola pegada a él. Las neuronas envían mensajes
que corren por la cola, o axón, y otras neuronas captan los mensajes a través
de zarcillos de ramificación llamados dendritas. Los científicos saben desde
hace mucho tiempo que la visión de las neuronas en los libros de texto se
simplifica demasiado, dice Chandrashekar. Los datos del equipo sugieren que las
neuronas a menudo son mucho más extensas y conectadas de lo que los científicos
tenían en mente.
Los investigadores han construido amplios mapas que
describen qué partes del cerebro se conectan a que otra parte, pero la captura
de una vista ampliada de las neuronas individuales está plagada de obstáculos
técnicos. Los científicos tienen que iluminar las neuronas dentro del cerebro
de un ratón, cortarlo en láminas delgadas, tomar imágenes de las láminas con un
microscopio y luego seleccionar neuronas individuales entre los millones de
imágenes recolectadas.
El equipo de Janelia resolvió el problema afinando cada paso
del proceso. "Este trabajo solo fue posible con un enfoque científico de
equipo", dice Korff. Los investigadores que participaron en el proyecto
abarcaron desde neurocientíficos y anatomistas hasta científicos informáticos e
ingenieros de software.
Primero, los investigadores inyectaron cerebros de ratón con
un virus que resalta solo unas pocas docenas de neuronas. Luego, el equipo
"limpió" el cerebro para ayudar a que la luz penetrara en el tejido.
A continuación, un microscopio de luz de alta tecnología iluminó el cerebro con
pulsos de luz, tomó una imagen de las neuronas resaltadas y eliminó una
rebanada de cerebro de 200 micrómetros con una cuchilla giratoria. Todo el
proceso se repitió hasta que se generó una imagen de todo el cerebro.
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| Los científicos de Janelia han rastreado la forma y la posición de más de 300 neuronas en el cerebro del ratón; en esta reconstrucción compuesta, cada neurona está representada por un color diferente. Imagen: Janelia Research Campus, equipo del proyecto MouseLight |
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| Las imágenes capturadas de microscopía de dos fotones muestran un axón y dendritas que sobresalen del cuerpo celular de una neurona (esfera en el centro). Imagen: Janelia Research Campus, equipo del proyecto MouseLight |
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| Una de las neuronas que los investigadores rastrearon en el cerebro del ratón (que se muestra en rosa) se extiende por los hemisferios, enviando axones de ramificación a diferentes regiones. Imagen: Janelia Research Campus, equipo del proyecto MouseLight |
El microscopio, una versión ultrarrápida de un método
llamado "microscopía de dos fotones", proporciona suficiente energía
para hacer que las neuronas resaltadas brillen sin iluminar otros planos
focales. Eso da a los investigadores las
imágenes nítidas necesarias para el mapeo neural. Cada imagen del cerebro
produce aproximadamente 20 terabytes de datos, el espacio de almacenamiento de
4.000 DVD. Se utilizan algoritmos sofisticados para unir las imágenes, y un
equipo de siete personas expertas recorre el conjunto de datos resultante para
desentrañar digitalmente las neuronas individuales.
Estas personas son trazadores de neuronas a tiempo completo;
sus esfuerzos y el software que utilizan son críticos para la creación de mapas
de alta calidad, dice el neurocientífico Nelson Spruston, director senior de
programas científicos de Janelia. Hace dos años, cada persona habría necesitado
una semana o dos para rastrear el camino de una neurona a través del cerebro.
Hoy, mediante el uso de algoritmos de rastreo de neuronas y software
desarrollado por MouseLight y el grupo de Computación Científica de Janelia,
cada miembro del equipo puede rastrear aproximadamente una neurona por día,
dice.
Ahora que la secuencia de generación de imágenes y rastreo por
parte del equipo está funcionando a pleno rendimiento, "Llegaremos a 1.000
neuronas totales detectadas en aproximadamente un año" según Spruston. Al
alcanzar esta marca, el equipo espera que los datos arrojen nuevos
conocimientos sobre cómo la elaborada ramificación de las rutas neuronales
canalizan la información dentro del cerebro.
Y están apareciendo sorpresas con sólo 300 neuronas
completamente rastreadas por el equipo.
Por ejemplo, los axones de las neuronas individuales en el tálamo a menudo se
ramifican profusamente en combinaciones inesperadas de áreas corticales, tales
como las regiones involucradas en el gusto, el tacto y el movimiento. De manera
similar, en el subículo (Parte del hipocampo, una región involucrada en el
aprendizaje y la memoria), las neuronas casi siempre se extienden a diferentes
regiones neuronales. En el neocortex, la estructura de seis capas asociada con
las funciones cognitivas más elevadas, muchas proyecciones de una sola neurona
se ensanchan de forma expansiva. Una de las neuronas que los investigadores
rastrearon se encontraba dispersa por toda la corteza cerebral, enviando axones
largos y ramificados que se arqueaban en ambos hemisferios como una explosión
de fuegos artificiales.
"Esto fue sorprendente para mí", dice Spruston.
"No tenía idea de que una sola neurona cortical pudiera enviar tantas
conexiones a gran parte del cerebro". La capacidad de ver las neuronas con
tanto detalle permite apreciar plenamente la extensión de su comunicación.
La neurocientífica Eve Marder de la Universidad de Brandeis
está de acuerdo. "Sabíamos que las diferentes regiones del cerebro se
hablaban entre sí, pero verlo en 3-D es diferente", dice. "Los
resultados son tan impresionantes porque te dan una idea muy clara de cómo está
conectado todo el cerebro".
El nuevo recurso permitirá a todos los estudiantes con
conexión a Internet visualizar las neuronas reales, no solo los dibujos en los
libros de texto, dice Chandrashekar. El trabajo del equipo que crea cientos de
reconstrucciones de una sola neurona de alta calidad, presentadas en un volumen
de referencia fácilmente accesible, podría acelerar la investigación científica
y guiar la formación de hipótesis y podría proporcionar una visión más completa
de cómo se envían las señales neuronales a través del cerebro".
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