Los neurocientíficos investigan la comunicación neuronal con ultra

20 de junio de 2023

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por el Instituto Leibniz de Tecnologías Fotónicas eV

Para investigar la actividad de las estructuras neuronales, así como la interacción de las células nerviosas, se necesitan tecnologías mínimamente invasivas que proporcionen imágenes de delicados tejidos profundos del cerebro. Un nuevo endomicroscopio, del grosor de un cabello, desarrollado por un equipo internacional con la participación de Leibniz IPHT, promete observaciones en profundidad extremadamente suaves y ofrece la posibilidad de investigar áreas del cerebro con gran detalle y estudiar el inicio y la progresión de enfermedades graves. enfermedades neuronales.

Se espera que el instrumento ayude a los neurocientíficos a definir nuevas estrategias para combatir estas condiciones debilitantes. Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Nature Communications.

Las enfermedades neuronales como el autismo, la epilepsia, el Alzheimer o el Parkinson aún no se conocen bien. Por lo tanto, prevenir, tratar o aliviar estas enfermedades sigue siendo un gran desafío. Para comprender mejor las causas y los orígenes de estas enfermedades, y desarrollar y controlar terapias personalizadas, es importante descifrar y estudiar cómo se comportan en el interior del cerebro las células nerviosas afectadas, que frecuentemente se encuentran en estructuras muy profundas del cerebro. Complejidad natural de todo el organismo.

Los neurocientíficos investigan estas afecciones en modelos animales pequeños y explotan técnicas de endoscopia mínimamente invasivas para estudiar las estructuras profundas del cerebro. Con este fin, científicos del Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica (Leibniz IPHT) en Jena, Alemania, están trabajando junto con el equipo de Fotónica Compleja del Instituto de Instrumentos Científicos de la Academia Checa de Ciencias en Brno, República Checa, en una novela enfoque basado en fibra.

Con un diámetro de sólo 110 micrómetros, el endoscopio es tan delgado como un cabello humano, lo que permite la adquisición de imágenes a una profundidad de tejido sin precedentes y a nivel subcelular. Esto no sólo permite investigar estructuras cerebrales profundas, a las que antes era difícil acceder, sino también estudiar con precisión la conectividad neuronal y la actividad de señalización de neuronas individuales en el cerebro.

"En el corazón del sistema endoscópico hay una fibra de vidrio óptica ultrafina que sirve como sonda. Mediante la holografía digital, podemos utilizarla para obtener imágenes y visualizar células y vasos sanguíneos individuales con alta resolución, sin distorsiones y con alta -contraste. El diseño de endoscopia, tan fino como un cabello, permite un examen in vivo extremadamente atraumático sin dañar los tejidos circundantes", explica el Prof. Dr. Tomáš Čižmár, jefe del Departamento de Investigación de Fibras y Tecnología de Leibniz IPHT, quien dirigió el desarrollo del instrumento.

Las soluciones endoscópicas convencionales utilizadas en la investigación de neurociencia in vivo suelen utilizar lentes de varilla especializadas (GRIN), que transmiten imágenes de un extremo al otro. Debido a su huella, pueden suponer un gran riesgo de daño tisular y afectar gravemente la validez de los estudios de neurociencia. El endoscopio holográfico recientemente desarrollado supera esta desventaja utilizando una única fibra óptica multimodo como sonda de imágenes, lo que lo convierte en el método menos invasivo para visualizar áreas sensibles del cerebro.

Los investigadores también han explotado un nuevo tipo de sonda de fibra, la llamada sonda de visión lateral, que permite observar el tejido perpendicular al eje de la fibra. De esta manera, el tejido del que se obtienen imágenes se estresa y daña mucho menos al insertar el endoscopio en el tejido que al usar sondas convencionales con terminación desnuda. Como la sonda ofrece la posibilidad de penetrar más profundamente en el tejido, la sonda de vista lateral también ofrece la posibilidad de unir fotogramas individuales tomados a lo largo del camino en una imagen panorámica, permitiendo una visión continua de toda la profundidad del cerebro.

Además de la observación directa de la conectividad estructural entre las neuronas, en particular las espinas dendríticas (estructuras microscópicas que emergen de las dendritas), también se pueden observar procesos intracelulares con las soluciones endoscópicas desarrolladas. Se podría estudiar la dinámica de las estructuras subcelulares, los cambios en la concentración de calcio intracelular (estrechamente vinculados a la actividad de señalización de las células nerviosas) y la velocidad del flujo sanguíneo en los vasos individuales. Todas estas propiedades podrían proporcionar a los neurocientíficos indicaciones sobre cambios patológicos en el cerebro.

"En las enfermedades neuronales, el rendimiento cognitivo y motor del organismo afectado puede verse limitado irreversiblemente por cambios o pérdida de células nerviosas. Estamos desarrollando tecnologías para monitorear los signos de una enfermedad, por ejemplo, a través de una comunicación neuronal alterada, en una etapa temprana. Con estos nuevos y potentes instrumentos basados ​​en luz, podemos ayudar a proporcionar información sin precedentes sobre el centro de control de las funciones vitales con alta calidad de imagen y así ampliar la comprensión de las enfermedades neuronales", afirma el Prof. Dr. Tomáš Čižmár.

Más información: Miroslav Stibůrek et al, endomicroscopio de 110 μm de espesor para observaciones in vivo del cerebro profundo de la conectividad neuronal, la actividad y la dinámica del flujo sanguíneo, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36889-z