domingo, 17 de noviembre de 2013

Especial Nature Methods sobre mapeo cerebral

Hace unos años para el boletín del Colegio Colombiano de Neurociencias (COLNE) escribía una sección sobre tecnología. Y en uno de los números escribí un texto sobre "Atlas Cerebrales" en donde intentaba mostrar algunos mapas que habían sido construidos para fomentar el estudio y entendimiento de diferentes aspectos del cerebro, tanto en modelos animales como en humanos. Dentro de los mapas descritos se encontraba el realizado por el instituto Allen para ratón y humano. Han pasado varios años y es impresionante el avance y las ventajas que han ofrecido para el mundo el instituto Allen. He tenido la oportunidad de seguir varias de sus publicaciones y he incorporado algunas de sus herramientas en los contenidos de clase para el estudio de anatomía y genética.

Tomado del Boletín del COLNE, Vol 2, No 1, 2011 - Aquí se puede consultar el artículo completo
En esta oportunidad la prestigiosa revista Nature Methods ha dedicado un número especial (junio 2013) sobre técnicas de mapeo cerebral, recogiendo y explorando algunas de las herramientas que intentaba exponer en mi artículo. Como se señala en la editorial de este número (Pastrana, 2013); el objetivo de las técnicas de mapeo cerebral es, en general, entender diferentes componentes de la estructura o función cerebral. Son tan amplias y rápidas las modificaciones tecnológicas realizadas para este propósito que tenemos desde técnicas ópticas y moleculares, hasta registro de actividad cerebral en tiempo real y cerebros transparentes, pero es únicamente bajo la cooperación de matemáticos, físicos, estadistas, químicos y demás profesionales de la ciencia básica que es posible desarrollar más y mejores técnicas para registrar el funcionamiento y la estructura cerebral.

La primera anotación técnica se realiza al trabajo desarrollado por Joshua Sanes & Jeff W. Lichtman y denominado "Brainbow"; en el cual las neuronas individuales son etiquetadas por un color distinto,utilizando animales transgénicos con el sistema de recombinación genética Cre-LoxP, en el que se expresan diferentes proteínas fluorescentes, para determinar las prolongaciones y conexiones a grandes distancias (Center for Brain Science - Harvard). Es una de las técnicas que se utiliza en el movimiento denominado "Conectómica" que pretende determinar en detalle la forma como diferentes componentes del cerebro está conectado.También se relaciona la participación de Sanes en el proyecto BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) financiado por el gobierno de Estados Unidos y que pretende "mapear los patrones de actividad cerebral en miles de neuronas conectadas en circuitos que subyacen al comportamiento" (Marx, 2013, p. 449). En este proyecto la técnica Brainbow podría ayudar a los primeros intentos por determinar patrones de conexión entre diferentes especies y en cerebros completos.

Imagen 1: Dentate Gyrus.
tomada de Center for Brain Science - Harvard University 
Posteriormente en el artículo de Bargmann & Marder (2013) se hace una comparación en la estructura y dinámica de circuitos neuronales en invertebrados y vertebrados mostrando un paralelo biológico y una dinámica biológica común. A partir de información de estudios electrofisiológicos y de microscopia electrónica se han rastreado los patrones de conectividad e interacciones en invertebrados desde hace varios años. La identificación de tipos de neuronas, tipos de sinapsis (químicas o eléctricas) o ritmos de activación pueden predecir con gran precisión la fuerza e importancia de diferentes conexiones. Sin embargo, a pesar del avance en técnicas en la detección de actividad sináptica (medición de calcio, voltaje y liberación sináptica) poco se tiene para la medición de conexiones eléctricas (gap junctions) y menos aún para la influencia de los actores como moduladores sobre la influencia directa en la actividad de neuronas o circuitos, frecuencia o patrones motores generados. Finalmente, esta muy distante la descripción de conexión en partes complejas y completas de cerebros grandes, haciendo necesaria la creación de laboratorios con capacidades inmensas y no como los laboratorios convencionales que conocemos.

Imagen tomada de Bargmann & Marder (2013). The conectoma de C. elegans mostrando las 302 neuronas y su sinapsis químicas pero no gap junctions. En la imagen los círculos rojos son neuronas sensoriales, los círculos azules son interneuronas y los círculos verdes son neuronas motoras.
En el siguiente texto de O. Sporn (2013) se realiza un comentario sobre diferencia entre los mapas generados por de conectiviad (conectómica) y los mapas de patrones dinámicos de conectividad funcional y la necesidad de desarrollar nuevas estrategias para el análisis y modelado de datos cerebrales. Estas estrategias dependerán del desarrollo de técnicas a nivel computacional e incluso teóricas para poder comprender estructura y función. Estas técnicas para poder identificar la estructura neural deben estar soportadas en un gran interés por identificar componentes biológicos de células que al parecer son particularmente especiales. Así, Morgan & Lichtman (2013) señalan características especiales de las neuronas con respecto a otros tejidos, como: 1. el cerebro tiene más tipos de células que cualquier otro órgano; 2. el patrón de conectividad es geométricamente muy complejo lo que repercute en la forma en cómo se comunica y actúa sobre otros órganos; 3. estos contactos especiales permiten comunicaciones bidireccionales, particulares en el cerebro; 4. la comunicación particular entre la información genética y expresión de la misma a partir de la interacción con el ambiente.

A pesar de estas características particulares han surgido fuertes críticas al proceso de conectómica que son respondidas por Morgan & Lichtman (2013), por ejemplo, una de las críticas más fuertes se basa en que la identificación de propiedades estructurales en algunos individuos tiene poca generabilidad en virtud de la variabilidad de estructura entre individuos; el disparo e integración de respuestas neuronales está determinado por la cantidad de receptores y la modificación de propiedades fisiológicas en las células. Esta característica varía entre células y entre individuos lo que haría un proceso de conectómica inviable de generalizar. Estas y otras críticas son discutidas a profundidad. Los autores finalizan su texto proponiendo que es viable y necesario el desarrollo de mapas de conexión básicamente porque los métodos tradicionales de análisis de sinapsis uno a uno no dan cuenta del proceso complejo que subyace al comportamiento, es necesario conocer en detalle la conformación del cerebro de forma que soporte los hallazgos en campos más específicos y es probable que durante el proceso se detecten características no conocidas de funcionamiento, lo que podría repercutir en áreas diferentes a la neurociencia.

Quizás uno de los artículos más interesantes del especial es el escrito por Chung & Deisseroth (2013) describiendo su técnica de CLARITY. Esta técnica consiste en crear una estructura de hidrogel que permite una fijación dentro del tejido para luego remover los lípidos de las células sin alterar mecánicamente el tejido. Está técnica crea entonces una estructura híbrida estable que permite cambiar la forma de estudiar la conexión cerebral y pasar de tajadas cerebrales con técnicas de microscopía tradicional a una técnica que permite estudiar el cerebro completo con técnicas moleculares complementarias.

Imagen tomada de: Chung & Deisseroth (2013). CLARITY for mapping the nervous system. Detalle del proceso de creación de la estructura híbrida de hidrogel.
A propósito de la técnica de CLARITY se produjo y difundió hace algunos meses un video (Nature Methods) que muestra lo vistoso de la técnica y su posible potencial al cambiar un paradigma que incluso recuerda los estudios pioneros y fundamentales de Santiago Ramón y Cajal.


Finalmente, hay otros artículos que muestran varios proyectos que intentan determinar la estructura y conectividad de diferentes especies, en donde el Allen Institute promete un gran avance en este campo por sus hallazgos y sus proyectos a futuro, como lo menciona Osten & Margrie (2013). Esta es una lectura obligada si el interés es tener un amplio espectro de técnicas, limitaciones y potencialidades de los estudios para el mapeo cerebral

--César Acevedo-Triana--

Referencias
ResearchBlogging.org




Cai, D., Cohen, K. B., Luo, T., Lichtman, J. W., & Sanes, J. R. (2013). Improved tools for the Brainbow toolbox Nature Methods, 10 (6), 540-547 DOI: 10.1038/nmeth.2450

Chung K, & Deisseroth K (2013). CLARITY for mapping the nervous system. Nature Methods, 10 (6), 508-513 PMID: 23722210

Bargmann, C. I., & Marder, E. (2013). From the connectome to brain function Nature Methods, 10 (6), 483-490 DOI: 10.1038/nmeth.2451

Morgan, J. L., & Lichtman, J. W. (2013). Why not connectomics? Nature Methods, 10 (6), 494-500 DOI: 10.1038/nmeth.2480

Osten P, & Margrie TW (2013). Mapping brain circuitry with a light microscope. Nature Methods, 10 (6), 515-523 PMID: 23722211

Pastrana, E. (2013). Focus on Mapping the Brain Nature Methods, 10 (6) DOI: 10.1038/nmeth.2509

Sporns, O. (2013). Making sense of brain network data Nature Methods, 10 (6), 491-493 DOI: 10.1038/nmeth.2485



1 comentario:

  1. Best visualization of the brain I have seen!! thanks!!

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