Una tecnología basada en la codificación de barras de ADN puede marcar fácilmente un número sin precedentes de conexiones entre las células cerebrales individuales. La inesperada complejidad del sistema visual es solo el primero de los secretos que descubrió.
Sentado en un escritorio de su oficina en el campus del
Laboratorio Cold Spring Harbor , el neurocientífico
Tony Zador me dirigió su monitor de computadora para mostrarme un gráfico complejo en forma de matriz. Imagine una hoja de cálculo que, en lugar de números, se rellena con colores de varios tonos y gradaciones. De paso, dijo: "Cuando le digo a la gente que he entendido las conexiones de decenas de miles de neuronas y les muestro esto, en respuesta solo dicen" ¿Ah? "Pero cuando le muestro a la gente esto ..." Presionó el botón y apareció una pantalla transparente Un modelo tridimensional del cerebro, que gira alrededor de uno de los ejes, lleno de nodos y líneas, en una cantidad demasiado grande para ser contado. "Dicen:" ¡Qué ...! "
Zador me mostró un mapa de 50,000 neuronas en la corteza cerebral del ratón. Estaba marcado en él donde se encuentran los cuerpos de todas las neuronas, y donde dirigen sus largas ramas axónicas. Los mapas neuronales de este tamaño y detalle nunca han estado antes. Zador abandonó el enfoque tradicional de construir un mapa cerebral a través del etiquetado fluorescente de las neuronas, y optó por una tecnología inusual basada en una larga tradición de investigación en biología molecular en Cold Spring Harbor en Long Island. Utilizó partículas de información del genoma para introducir una secuencia única de ARN, o código de barras, en cada neurona individual. Luego cortó el cerebro en cubos y los alimentó al secuenciador de ADN. El resultado fue una imagen tridimensional de 50,000 neuronas de la corteza cerebral del ratón (y pronto se les agregará más), con resolución de hasta células individuales.
Este trabajo,
magnum opus Zador, todavía está experimentando una serie de refinamientos y correcciones antes de su publicación. Pero en un artículo reciente publicado en la revista Nature
, ellos y sus colegas demostraron que esta técnica, conocida como MAPseq (Análisis multiplexado de proyecciones por secuenciación), puede usarse para buscar nuevos tipos y patrones de células que antes eran desconocidos. . También se demostró en el trabajo que este método de marcado altamente productivo compite seriamente por la precisión de la técnica fluorescente, que es el estándar actual, pero funciona mejor con solo un pequeño número de neuronas.
Tony ZadorEste proyecto nació debido a la insatisfacción de Zador con su trabajo "principal" de rutina como neurofisiólogo, cómo habla con sequedad al respecto. Estudia la influencia de la audición en la toma de decisiones en roedores: cómo su cerebro escucha los sonidos, procesa la información de audio y determina una respuesta o acción conductual. Los registros electrofisiológicos y otras herramientas tradicionales utilizadas para resolver tales problemas no satisfacían al científico inclinado por las matemáticas. El problema, dice Zador, es que no somos conscientes de las conexiones neuronales, por lo que, como trabajo a tiempo parcial, está tratando de crear nuevas herramientas para adquirir imágenes cerebrales.
El estado actual de la tecnología avanzada de mapeo cerebral es el proyecto
Allen Brain Atlas del atlas cerebral, que fue ensamblado como resultado de varios años de trabajo en muchos laboratorios y costó alrededor de $ 25 millones. El atlas Allen es conocido como un atlas de conexiones masivas porque rastrea subpoblaciones de neuronas y sus compuestos del grupo Fue muy útil para los investigadores, pero no es capaz de hacer diferencias sutiles que existen dentro de los grupos o subpoblaciones de neuronas.
Si alguna vez queremos saber cómo el ratón escucha un gran trino, lo procesa y comprende que el sonido significa la aparición de una recompensa en forma de una bebida refrescante, o forma un nuevo recuerdo, para luego recordar la amenaza, debemos comenzar con un mapa o un diagrama de las conexiones del cerebro . Desde el punto de vista de Zador, la falta de conocimiento sobre tales compuestos juega un papel importante en por qué el progreso en el tratamiento de enfermedades psiquiátricas es tan lento y por qué la inteligencia artificial todavía no es lo suficientemente inteligente.
Justus Kebskul , neurocientífico de la Universidad de Stanford, autor de un nuevo trabajo para Nature y un ex estudiante graduado en el laboratorio de Zadora, señaló que hacer neurociencia sin conocer las conexiones es como "tratar de entender cómo funciona una computadora mirándola desde afuera, metiéndola en el exterior un electrodo y tratando de entender lo que se puede encontrar allí. Sin saber que el disco duro está conectado al procesador y el USB transfiere los datos de entrada al sistema, es muy difícil entender lo que está sucediendo ".
La inspiración para el desarrollo de SAPsec llegó a Zador cuando descubrió otra tecnología de mapeo cerebral llamada
Brainbow [coloración de células nerviosas con proteínas fluorescentes en diferentes colores; cerebro - cerebro, arco iris - arco iris / aprox. transl.]. Este método, que apareció en el laboratorio de
Jeff Lichtman de la Universidad de Harvard, es notable por el hecho de que es capaz de marcar genéticamente hasta 200 neuronas individuales al mismo tiempo, usando diferentes combinaciones de colores fluorescentes. El resultado fue una pintoresca
imagen multicolor de neuronas de colores neón, que mostraba en detalle una compleja mezcla de axones y cuerpos de neuronas. Este trabajo revolucionario dio la esperanza de que el diseño de la
conexión , una descripción completa de todas las conexiones nerviosas del cerebro, se acerca a la realidad. Desafortunadamente, la limitación de esta tecnología en la práctica fue que cuando se ve a través de un microscopio, los experimentadores podían reconocer de cinco a diez colores diferentes, lo que no era suficiente para penetrar en las complejidades de las neuronas en la corteza cerebral y marcar muchas neuronas al mismo tiempo.
Fue entonces cuando surgió una idea en la cabeza de Zador. Se dio cuenta de que el problema de la extrema complejidad de un conectoma podría ser dominado si los investigadores pudieran adaptar a sus necesidades las velocidades crecientes y el costo decreciente de las tecnologías de secuenciación del genoma altamente productivas. "En matemáticas, esto se llama reducir el problema al anterior ya resuelto", explicó.
En
SAPsec, los investigadores introducen virus genéticamente modificados a un animal que porta muchas secuencias de ARN conocidas o "códigos de barras". Durante aproximadamente una semana, los virus se multiplican en el cuerpo del animal y llenan cada neurona con una combinación única de estos códigos de barras. Cuando los investigadores cortan el cerebro en pedazos, los códigos de barras de ARN pueden ayudarlos a rastrear neuronas individuales de pieza en pieza.
La idea de Zador llevó a un
nuevo trabajo en Nature, en el que su laboratorio y equipo del University College London, bajo la guía del neurocientífico
Thomas Marsik-Flögel, utilizaron SAPsec para rastrear las conexiones de casi 600 neuronas en el sistema visual del ratón.
600 neuronas es un comienzo modesto en comparación con decenas de millones de neuronas contenidas en el cerebro del ratón. Pero esto fue suficiente para un cierto objetivo que los investigadores se propusieron. Querían entender si había una estructura en los circuitos del cerebro que pudiera arrojar luz sobre su trabajo. Ahora, la teoría popular es que en la corteza visual, las neuronas individuales recopilan información separada de los ojos, por ejemplo, sobre los bordes de los objetos a la vista, o el tipo de movimiento u orientación espacial. La neurona luego envía una señal a un área correspondiente del cerebro que se especializa en el procesamiento de este tipo de información.
Un ejemplo de cómo SAPsec puede determinar las conexiones de muchas neuronas:
Los puntos de colores indican la ubicación de los cuerpos de 50,000 neuronas en la corteza del ratón
Conexiones axónicas de solo dos neuronas que terminan en otro lugar del cerebro
Vías nerviosas de muchas neuronas.Para probar su teoría, el equipo primero marcó varias neuronas de ratón de la manera tradicional, introduciendo colorante fluorescente genéticamente codificado en células individuales. Luego, con un microscopio, rastrearon cómo las células se estiraban desde la corteza visual principal hasta otras partes del cerebro. Descubrieron que los axones de las neuronas se ramificaban y enviaban información a varias partes del cerebro a la vez, lo que refutaba la teoría de las conexiones uno a uno.
Luego comenzaron a buscar patrones en estas relaciones. Utilizaron SAPsec para rastrear las conexiones de 591 neuronas que ramificaron e inervaron diferentes objetivos. El equipo vio que la distribución de los axones obedece a las regularidades: algunas neuronas siempre extienden los axones a las secciones, por ejemplo, A, B y C, y nunca a las secciones D o E.
Los resultados sugieren que el sistema visual tiene relaciones extremadamente complejas y que los patrones de estas conexiones son mucho más complejos que solo una relación uno a uno. "Las áreas visuales de alto nivel no solo reciben información especialmente procesada para ellas", dijo Kebskul. En cambio, muchos sitios reciben la misma información, "para que sus cálculos puedan estar relacionados entre sí".
Sin embargo, el hecho de que ciertas células tengan conexiones con ciertas áreas también significa que las células especializadas, aún no abiertas, se encuentran en la corteza visual. Kebskul dijo que este mapa es similar a los planos que permitirán a los futuros investigadores comprender lo que hacen estas células. “SAPsec le permite crear un mapa de hardware. Tan pronto como trabajemos con el equipo, podemos comenzar a trabajar con el software y el proceso de cálculo ”, dijo.
La ventaja competitiva de SAPsec en velocidad y costo es muy significativa. Según Zador, esta tecnología debería poder escalar hasta 100,000 neuronas, procesando dicho volumen en un par de semanas y por solo $ 10,000, esto es mucho más rápido que los métodos de marcado tradicionales y mucho más barato que ellos.
Dichas ventajas harán que la tarea de marcar y comparar las vías neuronales de muchos cerebros sea una tarea más realista. El estudio de afecciones como la
esquizofrenia y el
autismo , que se cree que surgen de diferencias en las conexiones cerebrales, a menudo ha molestado a los científicos porque las herramientas disponibles para ellos no pueden reconocer muchos pequeños detalles sobre las conexiones neuronales. Uno puede imaginar que los investigadores podrán construir un mapa de estas condiciones para ratones y compararlos con ejemplos más típicos de mapas cerebrales, lo que generará una nueva ola de investigación. "Muchas enfermedades mentales se deben a problemas de conectividad", dijo
Hon Kui Zen , director ejecutivo del departamento de ciencias estructuradas del Instituto Allen para la Investigación del Cerebro. "La información de la relación le dirá dónde buscar respuestas".
El marcado detallado también permitirá a los científicos recopilar una gran cantidad de datos neurobiológicos y buscar patrones entre ellos que reflejen los principios generales de la función cerebral. "Tony mira el cerebro con una mirada sin distorsiones", dijo
Shrikant Chalasani , neurocientífico molecular en el Instituto Salk. "Así como el mapa del genoma humano brindó soporte para probar hipótesis y buscar patrones en las secuencias y el trabajo de los genes, el método Tony puede hacer lo mismo para los problemas de arquitectura cerebral".
Un mapa detallado del genoma humano no explicaba instantáneamente todos los misterios del trabajo de la biología, pero daba una lista de "repuestos" biomoleculares y abrió el camino para
una galaxia de investigación revolucionaria . Del mismo modo, en la etapa actual de desarrollo, SAPsec no puede proporcionar información sobre el funcionamiento o la ubicación de las celdas que etiqueta, o mostrar qué celdas se comunican entre sí. Pero Zador planea agregar dicha funcionalidad pronto. También trabaja en colaboración con científicos que estudian varias partes del cerebro, por ejemplo, conexiones neuronales que procesan el miedo.
“Creo que de todos estos lazos será posible extraer muchas ideas. Pero esto, al igual que con el genoma, en sí mismo no es algo interesante, las cosas que le permite hacer son revolucionarias. Por lo tanto, estoy en una emoción tan alegre ", dijo Zador. "Espero que esta tecnología brinde soporte para la próxima generación de trabajo en esta área".