El microscopio de fluorescencia ilumina una muestra con luz ultravioleta y observa la radiación emitida por las moléculas fluorescentes en ella (por ejemplo, células marcadas con fluorocromos). Una versión en miniatura montada en la cabeza de un ratón o de una rata conectada a un endoscopio permite ver sus neuronas en acción. Más aún, resulta tan cómodo para el animal que no afecta a su interacción social con otros. Parece ciencia ficción, pero ha sido uno de los grandes éxitos recientes de la neuroimagen. Por ello, esta técnica ha sido galardonada como «método del año» por la revista Nature Methods.
Esta técnica permite obtener vídeos en tiempo real de la actividad de las neuronas durante el sueño, la resolución de ciertos problemas o las interacciones sociales en estos animales. También permite estudiarla en ratones modelo para neuropatías, por ejemplo, imágenes del flujo de calcio en los lisosomas de las neuronas en ratones modelo para la enfermedad de Parkinson (en la que falla la regulación de los lisosomas); para ello se usan unos nanosensores llamados CalipHluor desarrollados por Yamuna Krishnan (Univ. Chicago) que diferencian entre la señal de fluorescencia debida a cambios de pH y de la concentración de calcio, de forma simultánea.
El problema está ahora en el análisis de las cantidades masivas de datos que permite obtener esta técnica de microscopia, que deben ser correlacionados con los vídeos que muestran el comportamiento social de los animales. Por fortuna, ya hay sistemas de análisis automático de dichos vídeos, como LEAP, que permiten reconstruir la postura de su cuerpo y extremidades en tiempo real. El futuro de estas técnicas de imagen es muy prometedor en neurociencia.
Los artículos en Nature Methods son los siguientes (te recomiendo su lectura si te interesan los detalles): «Method of the Year 2018: Imaging in freely behaving animals,» Nature Methods 16: 1 (2019), doi: 10.1038/s41592-018-0292-8; Vivien Marx, «Yamuna Krishnan,» Nature Methods 16: 3 (2019), doi: 10.1038/s41592-018-0263-0; Michael Eisenstein, «On their best behavior,» Nature Methods 16: 5–8 (2019), doi: 10.1038/s41592-018-0277-7; Damian J. Wallace, Jason N. D. Kerr , «Circuit interrogation in freely moving animals,» Nature Methods 16: 9–11 (2019), doi: 10.1038/s41592-018-0275-9; Daniel Aharoni, Baljit S. Khakh, …, Peyman Golshani, «All the light that we can see: a new era in miniaturized microscopy,» Nature Methods 16: 11–13 (2019), doi: 10.1038/s41592-018-0266-x; John A. Calarco, Aravinthan D. T. Samuel, «Imaging whole nervous systems: insights into behavior from worms to fish,» Nature Methods 16: 14–15 (2019), doi: 10.1038/s41592-018-0276-8; y Talmo D. Pereira, Diego E. Aldarondo, …, Joshua W. Shaevitz, «Fast animal pose estimation using deep neural networks,» Nature Methods 16: 117–125 (2019), doi: 10.1038/s41592-018-0234-5.
[PS 04 Mar 2019] Recomiendo la lectura de Michael Eisenstein, «Observar las neuronas de animales en movimiento», Investigación y Ciencia, Mar 2019 [gratis en IyC]. «Los miniscopios, diminutos microscopios de fluorescencia que se colocan en la cabeza de los animales, ofrecen una imagen clara de su actividad neuronal mientras exploran e interaccionan con el entorno. La técnica ha sido declarada método del año 2018 para la investigación biológica». [/PS]
Esta figura ilustra el diseño del microscopio de fluorescencia usado. Lo comercializa Schnitzer lab, bajo la marca Inscopix con el nombre nVista. En 2008 se publicaron los primeros prototipos del dispositivo (con un peso de 1.1 gramos) para medir el flujo de calcio. Su gran ventaja es que permite observar un gran número de neuronas en un volumen tridimensional. En la actualidad se estudia de forma simultánea la actividad de más de 800 neuronas distribuidas en un volumen tridimensional a alta velocidad (16 Hz).
Los microscopios miniaturizados facilitan la investigación en síndromes relacionados con las habilidades motoras, como el Parkinson, el autismo o la epilepsia. Así se pueden estudiar varias hipótesis en ratones modelo, como si la pérdida gradual de neuronas dopaminérgicas contribuyen a los síntomas del Parkinson. Los ratones modelo no representan de forma perfecta el transtorno en humanos, pero la observación directa de la actividad de las neuronas tiene un enorme potencial a la hora de desvelar los cambios metabólicos y funcionales involucrados; así se podrán descubrir dianas terapéuticas potenciales.
El uso de la técnica LEAP, que usa aprendizaje profundo para estimar la postura de un animal en un vídeo, permite correlacionar la actividad de las neuronas con el movimiento del animal. La técnica LEAP estima la posición y orientación del cuerpo y las extremidades de un animal incluso en un entorno complejo, o en presencia de otros animales.
Más aún, en combinación con las técnicas de optogenética se pueden manipular los circuitos neuronales mientras son observados. Sin lugar a dudas, este método del año 2018 para Nature Methods nos va a ofrecer muchas noticias en los próximos años. La neurociencia avanza a un ritmo realmente sorprendente.