Nuevo método de imagen desarrollada en Stanford revela detalles sorprendentes de las conexiones cerebrales

 

POR BRUCE GOLDMAN
Marcar Tuschman
Stephen Smith desarrolló un método rápido y preciso de la localización y contar los millones de sinapsis en el cerebro.
Los investigadores de la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford , la aplicación de un estado-of-the-art sistema de imágenes de muestras de tejido cerebral de los ratones, han sido capaces de localizar con rapidez y precisión y contar las innumerables conexiones entre las células nerviosas en un detalle sin precedentes, así para capturar y catalogar las diferentes conexiones de "sorprendente.
Un típico cerebro humano sano contiene alrededor de 200 mil millones de células nerviosas, o neuronas, conectados entre sí a través de cientos de miles de millones de diminutos contactos denominados sinapsis. Es en estas sinapsis que un impulso eléctrico que viaja a lo largo de una neurona se transmite a otro, ya sea aumentar o inhibir la probabilidad de que el segundo nervio se disparará un impulso propio. Una neurona puede realizar hasta decenas de miles de contactos sinápticos con otras neuronas, dijo Stephen Smith , PhD, profesor de fisiología molecular y celular , y autor principal de un artículo que describe el estudio, publicado 18 de noviembre en las neuronas .
Debido a que las sinapsis son tan diminutos y envasado en forma tan estrecha, que ha sido difícil de conseguir una manija en los complejos circuitos neuronales que hacen nuestros pensamientos, sentimientos y la activación de movimiento. Pero el nuevo método puede poner el mapeo de estas conexiones al alcance de los científicos. Funciona mediante la combinación de fotografías de alta resolución con especializados moléculas fluorescentes que se unen a diferentes proteínas y brillan en diferentes colores. Potencia de computación masiva captura esta información y la convierte en imágenes.
Examinados de cerca, una sinapsis - menos de una milésima de un milímetro de diámetro - es una interfaz especializada que consiste en los bordes de dos neuronas, separadas por un espacio pequeño. Productos químicos chorros fuera del borde de una neurona difusa a través del espacio, lo que provocó la actividad eléctrica en la transmisión de la próxima y por lo tanto una señal nerviosa. Hay tal vez una docena de tipos conocidos de las sinapsis, clasificados de acuerdo con el tipo de químicos que trabajan en ellas. Diferentes tipos sináptica difieren en consecuencia en las proteínas de local, en una neurona contigua o el otro, que están asociadas con el embalaje, la secreción y la absorción de las sustancias químicas diferentes.
Número de sinapsis en el cerebro varían con el tiempo. Los períodos de proliferación masiva en el desarrollo fetal, la infancia y la adolescencia dar paso a ráfagas igualmente masivo de "poda" en el que se eliminan las sinapsis subutilizadas, y, finalmente, a una disminución constante y gradual con la edad. El número y la fuerza de las conexiones sinápticas en los circuitos cerebrales distintos también fluctúan con los ciclos de vigilia y el sueño, así como con el aprendizaje. Muchas enfermedades neurodegenerativas se caracterizan por el agotamiento pronunciada de los tipos específicos de las sinapsis en las regiones cerebrales clave.
Cortesía de Stephen Smith
La reconstrucción visual (a partir de datos de la tomografía de matriz) de sinapsis en la corteza somatosensorial del ratón, que es sensible a la estimulación de los bigotes. Las neuronas se representan en puntos green.Multicolored representan sinapsis por separado.

En particular, la corteza cerebral - una fina capa de tejido en la superficie del cerebro - es una maraña de ramas prolíficamente neuronas. "En un ser humano, hay más de 125 billones de sinapsis sólo en la corteza cerebral solo", dijo Smith. Eso es aproximadamente igual a la cantidad de estrellas en las galaxias de la Vía Láctea 1500, señaló.
Sin embargo, intentar trazar el complejo circuito de la corteza cerebral ha sido una tontería, hasta ahora, dijo Smith. "Hemos estado tratando de adivinar él." Sinapsis en el cerebro están llenos de tan cerca que no pueden ser resueltos de forma fiable, incluso por el mejor de los microscopios de luz tradicionales, dijo. "Ahora realmente podemos contar con ellos y, en el negocio, el catálogo de cada uno de ellos según su tipo."
Tomografía de matriz, un método de imagen co-inventado por Smith y Kristina Micheva, PhD, quien es un miembro del personal científico de alto nivel en laboratorio de Smith , fue utilizada en este estudio de la siguiente manera: Un bloque de tejido - en este caso, de la corteza cerebral de un ratón - se cortó cuidadosamente en secciones tan sólo 70 nanómetros de espesor. (Esa es la distancia se extendió por 700 átomos de hidrógeno teóricamente alineados lado a lado.) Estas secciones ultrafinas se tiñeron con anticuerpos diseñados para que coincida con 17 sinapsis asociada con diferentes proteínas, y que fueron modificados por la conjugación de moléculas que responden a la luz que brilla intensamente en diferentes colores.
Los anticuerpos se aplicaron en grupos de tres para las secciones del cerebro. Después de cada número enorme de aplicaciones extremadamente fotografías de alta resolución se genera automáticamente para registrar la ubicación de diferentes colores fluorescentes asociada con anticuerpos frente a diferentes proteínas sinápticas. Los anticuerpos fueron entonces químicamente se enjuaga y se repitió el procedimiento con el siguiente conjunto de tres anticuerpos, y así sucesivamente. Cada sinapsis individuales por lo tanto adquiere su propia composición en proteínas "firma", que permite la compilación de un catálogo de grano muy fino de diversos tipos sinápticas del cerebro.
Toda la información capturada en las fotos fue grabada y procesada por un software computacional novela, la mayor parte de lo diseñado por el estudio de Busse co-autor de Brad, un estudiante graduado en el laboratorio de Smith. Es prácticamente cosido a todos los sectores en la losa original en una imagen tridimensional que puede girarse, penetrado y navegado por los investigadores.
El equipo de Stanford utilizaron muestras de cerebro de un ratón que había sido la bioingeniería para que las neuronas particularmente grande que abundan en la corteza cerebral expresan una proteína fluorescente, que normalmente se encuentran en las medusas, que se ilumina de color verde amarillento. Esto ha permitido a visualizar las sinapsis en el contexto de las neuronas vinculadas.
Los investigadores fueron capaces de "viajar" a través de la que resulta en 3-D de mosaico y observar diferentes colores que corresponden a diferentes tipos sináptica así como un espacio de tránsito viajero podría exterior y tenga en cuenta los diferentes matices de las estrellas que salpican la oscuridad infinita. Una película también fue creado por este software.
Este nivel de visualización detallada nunca se ha logrado antes, dijo Smith. "El contexto anatómico completo de la sinapsis se conserva. Usted sabe bien que cada uno es, y qué tipo es ", dijo.
Observa de esta manera, la complejidad global del cerebro es casi increíble, dijo Smith. "Una sinapsis, por sí mismo, es más como un microprocesador con la memoria de almacenamiento y los elementos de procesamiento de información - que un simple interruptor on / off. De hecho, una sinapsis puede contener del orden de 1.000 a escala molecular, los conmutadores. Un cerebro humano tiene más interruptores que todos los ordenadores y routers y conexiones a Internet en la Tierra ", dijo.
En el curso del estudio, cuyo objetivo principal era mostrar la aplicación de la nueva técnica a la neurociencia, Smith y sus colegas descubrieron una novela, sutiles distinciones dentro de una clase de sinapsis ya asume que son idénticos. Su grupo se centra ahora en el uso de la tomografía matriz a desentrañar más distinciones, lo que debería acelerar el progreso de los neurocientíficos, por ejemplo, la identificación de cómo muchos de los cuales son subtipos de ganado o perdido durante el proceso de aprendizaje, después de una experiencia traumática, como el dolor, o en las enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. Con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud , el laboratorio de Smith es mediante tomografía matriz para examinar muestras de tejidos de cerebros de Alzheimer obtenidos a partir de Stanford y la Universidad de Pennsylvania .
"Preveo que dentro de unos años, la tomografía matriz se han convertido en una importante técnica de la línea principal patología clínica, y una herramienta de investigación de drogas", dijo Smith. Él y Micheva son la fundación de una compañía que ahora es reunir los fondos de los inversores para seguir trabajando en esta línea. Oficina de Stanford de Licencias de Tecnología ha obtenido una patente de los EE.UU. en la tomografía matriz y presentado por un segundo.
El estudio de Neuron fue financiado por el NIH, la Gatsby Charitable Trus t, el Howard Hughes Medical Institute , la Universidad de Stanford del programa Bio-X y un regalo de Lubert Stryer , MD, la señora emérito George A. Winzer profesor de Biología Celular en la medicina la escuela del Departamento de Neurobiología. Otros Stanford co-autores del documento fueron el estudiante de neurología Nicholas Weiler y científico de investigación senior Nancy O'Rourke, PhD.
Información acerca del Departamento de la escuela de Fisiología Molecular y Celular, que también apoyó el trabajo, está disponible en http://mcp.stanford.edu/ .
Fuente:
http://med.stanford.edu/ism/2010/november/neuron-imaging.html