Nueva Resonancia Magnética funcional: descifrando el funcionamiento del cerebro a nivel neuronal
La compleja conectividad del cerebro de los mamíferos es la base de su funcionamiento, pero comprender cómo interactúan las regiones cerebrales interconectadas en el procesamiento neuronal sigue siendo un reto formidable. Los ingenieros biológicos del MIT diseñaron una novedosa sonda de RM que podría permitir a los científicos mapear estas redes de interacciones cerebrales.
«Con la resonancia magnética funcional (RMf) normal, vemos la acción de todos los “engranajes” a la vez. Pero con nuestra nueva técnica, podemos captar engranajes individuales que se definen por su relación con los demás engranajes, y eso es fundamental para construir una imagen del mecanismo del cerebro», dice Alan Jasanoff, profesor del MIT de ingeniería biológica, ciencias cerebrales y cognitivas, y ciencia e ingeniería nuclear.
¿Cómo funciona la RMf normal?
Las imágenes obtenidas por RMf miden los cambios del flujo sanguíneo en el cerebro, como un indicador de la actividad neuronal. Cuando las neuronas reciben señales de otras neuronas, se produce una afluencia de calcio que hace que se libere un gas difusible llamado óxido nítrico. El óxido nítrico actúa en parte como un vasodilatador que aumenta el flujo sanguíneo en la zona.
Las imágenes obtenidas directamente del calcio pueden ofrecer una imagen más precisa de la actividad cerebral, pero ese tipo de imágenes suele requerir productos químicos fluorescentes y procedimientos invasivos. Cosa que Jasanoff y sus colegas buscaban evitar.
“Secuestraron” la base molecular de la RMf
«Si queremos averiguar cómo funcionan las redes de células y los mecanismos de todo el cerebro, necesitamos algo que pueda detectarse en lo más profundo del tejido y, preferiblemente, en todo el cerebro a la vez», afirma Jasanoff. «La forma que elegimos para hacerlo en este estudio fue básicamente secuestrar la base molecular de la propia fMRI».
Los investigadores crearon una sonda genética, suministrada por virus, que codifica una proteína que envía una señal siempre que la neurona está activa. Esta proteína, a la que los investigadores llamaron NOSTIC, es una forma modificada de una enzima llamada óxido nítrico sintasa.
La proteína NOSTIC puede detectar los niveles elevados de calcio que surgen durante la actividad neuronal; a continuación, genera óxido nítrico, lo que da lugar a una señal de RMf artificial que surge sólo de las células que contienen NOSTIC.
¿Cómo se suministra la sonda?
La sonda se suministra mediante un virus que se inyecta en un lugar concreto, tras lo cual viaja por los axones de las neuronas que se conectan a ese lugar. De este modo, los investigadores pueden etiquetar todas las poblaciones neuronales que se alimentan de un lugar concreto.
Generando señales
Para recibir respuestas de una parte específica del cerebro, aplican estímulos cerebrales profundos del hipotálamo lateral en ratas. Esta zona es un centro cerebral que interviene en el apetito y la motivación, entre otras funciones.
Durante estos experimentos, las neuronas también generan señales regulares de RMf, por lo que para distinguir las señales que proceden específicamente de las neuronas genéticamente alteradas, los investigadores realizan cada experimento dos veces:
- con la sonda encendida
- tras el tratamiento con un fármaco que inhibe la sonda.
Midiendo la diferencia en la actividad de la RMf entre estas dos condiciones, pueden determinar cuánta actividad está presente en las células que contienen la sonda específicamente.
Conclusiones
«Una de las cosas más interesantes del enfoque que estamos introduciendo es que se puede imaginar la aplicación de la misma herramienta en muchos sitios del cerebro y armar una red de engranajes entrelazados, que consisten en estas relaciones de entrada y salida», dice Jasanoff. «Esto puede conducir a una amplia perspectiva sobre cómo funciona el cerebro como un todo integrado, a nivel de poblaciones neuronales».
Referencias
Ghosh, S., Li, N., Schwalm, M., Bartelle, B. B., Xie, T., Daher, J. I., Singh, U. D., Xie, K., DiNapoli, N., Evans, N. B., Chung, K., & Jasanoff, A. (2022). Functional dissection of neural circuitry using a genetic reporter for fMRI. Nature Neuroscience, 25(3), 390–398. https://doi.org/10.1038/s41593-022-01014-8
New MRI probe can reveal more of the brain’s inner workings. (2022, March 3). MIT News | Massachusetts Institute of Technology. https://news.mit.edu/2022/fmri-neuron-monitoring-0303
