Unha nova técnica permite unha visión sen precedentes do cerebro en tempo récord

Un equipo do MIT automatiza unha tecnoloxía para obter imaxes en 3D de cada hemisferio en pouco máis de catro días

Mapear cerebros completos é difícil e require moito tempo, mesmo coa mellor tecnoloxía moderna”, sinalou en marzo do ano pasado un equipo internacional das Universidades Johns Hopkins e Cambridge, que logrou reconstruír o conectoma deste órgano na larva de mosca tras 10 anos.

Agora, un grupo do Instituto de Tecnoloxía de Massachusetts (MIT) conseguiuno nun tempo récord e en humanos. Os investigadores automatizaron unha técnica para adquirir imaxes en 3D de cada metade do cerebro en pouco máis de catro días.

Publicidade

Esta nova tecnoloxía obtén simultaneamente, como se dun zoom tratásese, a visión dun hemisferio completo do cerebro e vai descendendo ata as estruturas máis pequenas das neuronas, ou mesmo a sinapse.

O proceso para ter unha fotografía completa do cerebro a escala celular require dividilo en centos ou miles de delgados toros de tecido, obter imaxes de cada un deles ao microscopio electrónico e posteriormente levar a cabo un minucioso proceso de reconstrución de todas esas pezas, neurona por neurona, nun cerebro completo para lograr un mapa preciso.

Publicidade

A ese ritmo de traballo o conectoma do cerebro humano, fundamental para coñecer como funciona e abordar despois a infinidade de enfermidade que lle afectan, sería unha tarefa de titáns.

Con todo, a nova abordaxe presentada en Science por Kwanghun Chung e o seu equipo podería facilitar en gran maneira esa ardua tarefa. Chung é xa coñecido por ser un dos creadores en 2013, xunto con Karl Deisseroth, da técnica Clarity, que fixo posible transparentar pequenos cerebros enteiros e que hoxe se utiliza rutineiramente no laboratorio.

Desde entón, o experto seguiu nesa liña para mellorar a visión en 3D do cerebro con total precisión independentemente da escala. Coa nova publicación, deu un paso importante ao facilitar aínda máis a observación do cerebro con máximo detalle, minimizando os danos que sofre o tecido cerebral durante a etapa de preparación das mostras para que poida volver utilizarse posteriormente.

Cambiar a formar de ver o cerebro

Levado a cabo en colaboración cun equipo de novos enxeñeiros, o traballo publicado en Science pretende cambiar a forma de mirar de preto o cerebro, salvando os escollos derivados das técnicas actuais. É destacable que lograsen recompoñer os cortes do tecido cerebral para que casen perfectamente, como se non se cortaran, o que ata o de agora requiría unha lenta e laboriosa integración.

Para iso, o primeiro paso foi afinar na forma de cortar as mostras de tecido cerebral. Diso encargouse o enxeñeiro mecánico Ji Wang, que puxo a punto un megatomo, un dispositivo para cortar os hemisferios cerebrais humanos de maneira que non se danen para logo volver reconstruílos con gran precisión para ter unha visión de conxunto.

Como explica Chung, ata o momento “ningunha tecnoloxía obtén imaxes da anatomía completa do cerebro humano con resolución subcelular sen cortalo primeiro, porque é opaco e moi groso, aproximadamente 3.000 veces o volume do cerebro dun rato”.

Pero con este megatomo, os cortes non perden información anatómica no puntos de corte nin en ningún outro lugar, destacan os investigadores.

Outro obstáculo que salvar era aumentar a flexibilidade das mostras sen que rompesen. E deste aspecto ocupouse Juhyuk Park, un novo enxeñeiro de materiais que logrou que cada porción de cerebro transparente sexa flexible e relativamente fácil de manexar, duradeira e expansible.

Ademais, pódese etiquetar con distintos marcadores de maneira rápida, uniforme e repetida, porque esta marcaxe selectiva pode borrarse, o que permite facer diferentes estudos na mesma mostra en función do fin que se persiga. E para iso desenvolveron outra nova tecnoloxía incorporada na plataforma que denominaron mELAST.

Análise computacional

Por suposto, non podía faltar unha análise computacional, que neste caso permitiu levar a cabo de maneira automática e con gran precisión o labor de reunir os toros nas que se dividiu o tecido cerebral.

Imaxes para distinguir a estrutura cerebral a gran escala (esquerda), a circuítos, a células individuais a sinapses individuais (dereita). Foto: Laboratorio Chung | Instituto PIcower do MIT

A reconstrución faise utilizando como guía a aliñación precisa de cada vaso sanguíneo e cada axón das neuronas, e cun software que recompón ao nanómetro o cerebro como se non se cortara previamente, desenvolto por outro enxeñeiro, Webster Guan. Para tal fin creou un sistema computacional chamado “UNSLICE”.

Con estas tres técnicas integradas na plataforma tecnolóxica pódese cambiar a escala de visualización para mapear simultaneamente un hemisferio completo e ao mesmo tempo acceder tamén a características microscópicas como información molecular, morfolóxica e de conectividade. E todo iso, aseguran os investigadores, sen destruír a mostra.

En definitiva, esta nova técnica permite unha viaxe inmersiva ao cerebro, desde a totalidade dun hemisferio ata o interior das estruturas celulares máis pequenas ou a visualización das sinapses con todo detalle.

“Esta tecnoloxía realmente permítenos analizar o cerebro humano en múltiples escalas. Potencialmente, pódese utilizar para mapear completamente cerebros humanos”, aclara Chung.

Impacto deste estudo

O tempo para preparar as mostras de cerebro é outro aspecto destacable desta nova plataforma, xa que reduce considerablemente. Con esta tecnoloxía o que antes levaba varios meses, agora pode realizarse en pouco máis de catro días.

Para o neurocientífico Manuel Valero, líder de grupo no Instituto Hospital do Mar d’Investigacions Mèdiques (IMIM) e premio Novos Investigadores 2023 da Sociedade Española de Neurociencia, que non participou no estudo, “o impacto deste artigo reside na coordinación de todas estas melloras técnicas co obxectivo de automatizar e optimizar a análise histolóxica e molecular de fragmentos grandes de cerebro humano”.

Comparación do que pode verse na cortiza orbitofrontal de mostras de cerebro de control e de alzhéimer: na rolda 2 de etiquetaxe apréciase moita máis beta amiloide (AB) na mostra con patoloxía (fila inferior). O mesmo ocorre coa Tau fosfirilada (pTau) na rolda 5. L Foto: aboratorio Chung | MIT

Para Valero, este traballo supón un gran esforzo técnico e de destreza, “que tenta mellorar o límite técnico experimental e analítico para estudar mostras de cerebro humano con técnicas de microscopia desde o punto de vista molecular, celular e de conectividade”.

“Aínda que, ningunha destas melloras son revolucionarias, a adopción por parte da comunidade científica dalgúns destes recursos, por exemplo, dos métodos de análises desenvolvidas que son de fácil diseminación, pode ter un impacto a curto e medio prazo, principalmente na optimización e automatización deste tipo estudos do cerebro”, engade.

Aplicación práctica en alzhéimer

Precisamente para demostrar as posibilidades desta nova técnica, os investigadores do MIT penetraron nun cerebro con alzhéimer e comparárono con outro sen esta enfermidade neurodexenerativa.

Con iso levaron a cabo unha proba de concepto do alcance e utilidade da súa nova técnica, aínda que aclaran que o observado nun único cerebro non debe xeneralizarse. Pero si abre a porta a unha nova forma de abordaxe máis rápida e con gran detalle.

Neste caso Chung colaborou con Matthew Frosch, experto en alzhéimer e director do banco de cerebros do Hospital Xeral de Massachusetts. Os investigadores centráronse nunha porción de tecido na que observaron a maior perda de neuronas en comparación cun cerebro de control san. A partir de aí, deixáronse levar pola súa curiosidade, indican: “Non deseñamos todos os experimentos de antemán”, sinala Chung.

Sabendo que, grazas a esta nova abordaxe, podían ter acceso case ilimitado ao tecido e que lles permitía mesmo volver atrás e mirar algo novo, utilizaron moitos marcadores diferentes, para poder observar diferentes aspectos, e para caracterizar e ver as relacións entre factores patóxenos e os diferentes tipos de células.

Unha das moitas observacións que fixeron foi que a perda de sinapses concentrábase en áreas onde había unha superposición directa coas placas amiloides características da enfermidade de alzhéimer. Con todo, fóra das áreas de placas, a densidade de sinapses era tan alta no cerebro con patoloxía como no cerebro san que utilizaron como control.

Esta tecnoloxía non se limita ao cerebro, apuntan os investigadores, senón que se pode aplicar igualmente a moitos outros tecidos do corpo. “Prevemos que esta plataforma tecnolóxica escalable mellorará a nosa comprensión das funcións dos órganos humanos e os mecanismos das enfermidades para estimular o desenvolvemento de novas terapias”, conclúe Chung.


Referencia: Integrated platform for multiscale molecular imaging and phenotyping of the human brain (Publicado en Science)

DEIXAR UNHA RESPOSTA

Please enter your comment!
Please enter your name here

Este sitio emprega Akismet para reducir o spam. Aprende como se procesan os datos dos teus comentarios.

Relacionadas

Novo biomarcador para detectar alzhéimer antes de que aparezan os síntomas

Un estudo facilita o diagnóstico temperán da enfermidade en mostras de sangue, e favorece o seu tratamento precoz

Así se desenvolve o medo no cerebro

Neurobiólogos da Universidade de California descubriron en ratos como a tensión e o abafo convértense en afeccións como o trastorno de estrés postraumático

Por que o cerebro dos vertebrados é tan complexo? A clave está en virus antigos

Uunha secuencia xenética derivada de primitivos retrovirus resulta esencial para producir mielina, a capa que protexe as fibras nerviosas

Unha técnica biomatemática monitoriza a evolución do dano en accidentes cerebrovasculares

O tecido cortical que aínda mostra actividade nun encefalograma pode estar a sufrir xa a morte irreversible das capas neuronais máis superficiais