Tecnología e innovación

Basados en calcio resonancia magnética sensor permite más sensibles de imágenes del cerebro

los neurocientíficos del MIT han desarrollado una nueva imagen de resonancia magnética (MRI) del sensor que permite monitorear la actividad neuronal profundo en el cerebro mediante el seguimiento de los iones de calcio.

Debido a que los iones de calcio están directamente vinculados a la activación neuronal — a diferencia de los cambios en el flujo de sangre detectados por otros tipos de MRI, que proporcionan una indirecta de la señal de este nuevo tipo de detección podría permitir a los investigadores para vincular las funciones específicas del cerebro a su patrón de actividad de las neuronas, y para determinar cómo distantes regiones del cerebro se comunican el uno con el otro durante las tareas particulares.

“las Concentraciones de los iones de calcio se correlaciona estrechamente con los eventos de señalización en el sistema nervioso”, dice Alan Jasanoff, un profesor del MIT de la ingeniería biológica, el cerebro y las ciencias cognitivas, y la ciencia nuclear y la ingeniería, un miembro asociado del MIT, el Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro, y el autor mayor del estudio. “Hemos diseñado una sonda con una arquitectura molecular que puede sentir relativamente sutiles cambios en el calcio extracelular que se correlacionan con la actividad neuronal.”

En las pruebas en ratas, los investigadores demostraron que su sensor de calcio puede detectar con precisión los cambios en la actividad neuronal inducida por la estimulación química o eléctrica, en lo profundo de una parte del cerebro llamada el cuerpo estriado.

MIT research associates Satoshi Okada y Benjamín Bartelle son los autores principales del estudio, que aparece en el 30 de abril del tema de la la Naturaleza de la Nanotecnología. Otros autores incluyen el profesor de cerebro y ciencias cognitivas Mriganka Sur, Asociado de Investigación Nan Li, postdoc Vicente Bretón-Provencher, ex postdoc Elisenda Rodríguez, el Wellesley College de pregrado Jiyoung Lee, y estudiante de la escuela secundaria de James Melican.

Seguimiento de calcio

Una de los pilares de la investigación de la neurociencia, la resonancia magnética permite a los científicos identificar las partes del cerebro que están activas durante las tareas particulares. El tipo de uso más común, conocida como la resonancia magnética funcional, medidas de flujo sanguíneo en el cerebro como un marcador indirecto de la actividad neuronal. Jasanoff y sus colegas querían idear una manera de mapa de patrones de actividad neuronal con la especificidad y la resolución que el flujo de la sangre-basada en técnicas de resonancia magnética no puede alcanzar.

“los Métodos que son capaces de mapa de la actividad cerebral en los tejidos profundos se basan en los cambios en el flujo de sangre, y los que están junto a la actividad neuronal a través de diferentes vías fisiológicas,” Jasanoff, dice. “Como resultado, la señal puede ver en la final es a menudo difícil atribuir a ninguna causa subyacente en particular.”

flujo de iones de Calcio, por otro lado, puede estar directamente relacionado con la actividad de las neuronas. Cuando una neurona dispara un impulso eléctrico, los iones de calcio y apresurarse en la célula. Alrededor de una década, los neurocientíficos han estado utilizando moléculas fluorescentes para la etiqueta de calcio en el cerebro y la imagen con microscopía tradicional. Esta técnica les permite precisamente seguimiento de la actividad de las neuronas, pero su uso está limitado a pequeñas áreas del cerebro.

El MIT equipo para encontrar una manera de imagen de calcio mediante resonancia magnética, que permite mucho mayor volumen de tejido para ser analizados. Para ello, se diseñó un nuevo sensor que puede detectar cambios sutiles en la concentración de calcio fuera de las células y responder de una manera que puede ser detectado con la resonancia magnética.

El nuevo sensor se compone de dos tipos de partículas que se agrupan en la presencia de calcio. Uno es una forma natural de la proteína de unión a calcio llamado sinaptotagmina, y el otro es un magnéticas de nanopartículas de óxido de hierro recubiertas en un lípido que se puede ligar a la sinaptotagmina, pero sólo cuando el calcio está presente.

la unión de Calcio induce a que estas partículas se aglutinan, haciendo que aparezcan más oscuras en una imagen de resonancia magnética. Altos niveles de calcio fuera de las neuronas se correlacionan con la baja actividad de las neuronas; cuando la concentración de calcio caída, significa que las neuronas de la zona están disparando impulsos eléctricos.

la Detección de la actividad cerebral

A prueba de los sensores, los investigadores inyectaron en el estriado de ratas, una región que está involucrado en la planificación de movimiento y el aprendizaje de nuevas conductas. Luego, dieron a las ratas a un estímulo químico que induce a los ataques cortos de la actividad neuronal, y se encontró que el sensor de calcio refleja esta actividad.

también encontraron que el sensor de recoger la actividad inducida por la estimulación eléctrica en una parte del cerebro involucrada en la recompensa.

Este enfoque proporciona una nueva forma de examinar la función del cerebro, dice Xin Yu, un grupo de investigación líder en el Instituto Max Planck de Cibernética Biológica en Tuebingen, Alemania, quien no estuvo involucrado en la investigación.

“a Pesar de que hemos acumulado suficiente conocimiento en la señalización intracelular de calcio en la mitad del siglo pasado, que rara vez ha sido estudiado exactamente cómo la dinámica de los cambios en el calcio extracelular contribuir a la función del cerebro, o servir como un indicador de la función del cerebro,” Yu dice. “Cuando estamos en el desciframiento de un complicado y auto-sistema adaptado como el cerebro, cada pieza de información importante.”

La versión actual del sensor responde dentro de un par de segundos de la inicial de la estimulación cerebral, pero los investigadores están trabajando en la aceleración de eso. Ellos también están tratando de modificar el sensor de manera que puede propagarse a través de una región más grande del cerebro y pasar a través de la barrera sangre-cerebro, que iba a hacer posible la entrega de las partículas sin inyectar directamente en el sitio de la prueba.

Con este tipo de sensor, Jasanoff espera mapa de patrones de actividad neuronal con mayor precisión que ahora es posible. “Usted se pueda imaginar, la medición de la actividad del calcio en diferentes partes del cerebro y tratando de determinar, por ejemplo, cómo los diferentes tipos de estímulos sensoriales están codificados de diferentes maneras por el patrón espacial de la actividad neuronal que inducen,” él dice.

La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud y el MIT Simons Centro para el Cerebro Social.

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