Cómo funciona el sistema nervioso – los científicos tomaron un video

La actividad de varios cientos de neuronas en los gusanos y varias mil neuronas en el cerebro del pez fue vista en tiempo real.

Para entender cómo funciona el cerebro, es necesario representar con precisión su estructura. Si recordamos las peculiaridades de la estructura de las células nerviosas, su capacidad de formar un gran número de contactos intercelulares, queda claro que la estructura del cerebro aquí debe entenderse no sólo como una estructura de "bloqueo grande" (cerebellum, talamo, corteza, etc.), sino también todo el sistema de conexiones entre ellas. Por supuesto, el cerebro tiene un gran suministro de plasticidad: aparecen y desaparecen sinapsis intercelulares. Sin embargo, en el cerebro existen, por así decirlo, canales constantes de comunicación que permanecen inalterados y que forman la base material de flujos de información intracerebral.





Hasta ahora, el único organismo en el que se han descrito las conexiones en el sistema nervioso sigue siendo el nematodo Caenorhabditis elegans. Este gusano tiene un sistema nervioso de sólo 302 células, por lo que los neurocientíficos fueron capaces de averiguar a qué se conecta rápidamente – para 1986, se creó un mapa completo de las conexiones interneuroales de C. elegans. Por supuesto, los científicos pronto pensaron en hacer un mapa similar para el cerebro humano, pero el cerebro humano no tiene 302, pero alrededor de 100 mil millones de neuronas, por lo que se puede imaginar qué tarea titánica están enfrentando los investigadores. Además, las neuronas no forman simplemente una red amorfa, se doblan en zonas funcionales que realizan una tarea particular, y estas zonas, a su vez, interactúan entre sí a nivel macro y obedecen algunas reglas arquitectónicas adicionales. Y todo esto hace que sea increíblemente difícil mapear el cerebro.

Los científicos están tratando de resolver este problema desde diferentes ángulos, a veces métodos bastante inesperados. El año pasado, investigadores de la Universidad de Stanford lograron hacer que el cerebro del ratón y un fragmento del cerebro humano fueran casi transparentes: el tejido nervioso fue tratado con un detergente para que sólo las proteínas "esqueletos" de las células nerviosas permanecieran en él, y el uso de proteínas fluorescentes, era posible rastrear la distribución de los procesos nerviosos de las capas externas de la corteza al interior mismo del cerebro.

Por otro lado, el viejo método de mapeo sigue siendo exitoso, donde el tejido nervioso se corta en miles de capas cada una una unas pocas decenas de micrometros de espesor, y luego estas capas son miradas, evaluando las similitudes y diferencias. Después de analizar su estructura, puede construir un mapa tridimensional del cerebro con mayor precisión. Este trabajo se lleva a cabo constantemente, y las atlas cerebrales se están volviendo gradualmente más detalladas. Así que, nuevamente el año pasado, un equipo de científicos del Jülich Research Center (Alemania), junto con colegas de otros centros de investigación en Alemania y Canadá, logró crear un atlas tridimensional del cerebro humano con una resolución de 20 micrometros – este mapa del cerebro fue 50 veces más exacto que sus predecesores.

A menudo, los neurocientíficos sólo tratan de un solo aspecto de la arquitectura neuronal, por ejemplo, tratando de mapear las vías entre todas las áreas del cerebro. Aquí, también, logró lograr un éxito significativo: hace apenas un mes, investigadores del Instituto Allen del cerebro informaron que pudieron determinar todo el conjunto de conexiones intracerebral, sin embargo, hasta ahora sólo para el cerebro del ratón.

Pero digamos que sabemos todas las conexiones que existen en el cerebro, que el atlas tridimensional más detallado ha sido creado -- ¿es suficiente para entender cómo funciona el cerebro? Obviamente no, porque no sabremos exactamente cómo se distribuyen los impulsos nerviosos a través de la red de conexiones entre neuronas y grandes áreas pequeñas del cerebro. Como analogía, los chips de computadora se pueden utilizar: podemos mirarlos tanto como nos guste, pero desde su apariencia no podemos determinar si un ordenador está trabajando actualmente con un archivo de vídeo o un editor de texto. Para hacer esto, necesitamos entrar en el chip, “ver” las corrientes eléctricas que atraviesan. Y de la misma manera, tienes que entrar en la neurona, tienes que saber la distribución del impulso a través de las células nerviosas, para entender cómo funciona.

Los científicos han podido registrar y analizar durante mucho tiempo la actividad de las células nerviosas. Es fácil adivinar que observar la actividad de una sola neurona no nos dirá nada – necesitamos saber quién recibió la señal de y a quién la transmitió, es decir, la actividad de toda la cadena, o al menos la mayoría de ella. Pero los circuitos neuronales no existen por sí mismos, intercambian información entre sí. Podemos determinar qué grupo de neuronas está involucrado, por ejemplo, en la actividad motora, pero si queremos obtener una imagen más completa, si queremos saber cómo la entrada sensorial se convierte en la salida del motor, tenemos que mirar todo el cerebro a la vez.

Esto es exactamente lo que Robert Prevedel y sus colegas del Instituto de Patología Molecular de Viena y del Massachusetts Institute of Technology han intentado resolver. Y lograron resolverlo, sin embargo, no todavía en el cerebro humano, y no en el ratón, sino en el mismo sistema nervioso simple de los elegans nematodos C. y en el cerebro en desarrollo de los peces cebra.

Los investigadores modificaron los gusanos y los peces para que sus neuronas sintetizaran una proteína fluorescente: esta proteína brillaba cuando los cambios en el nivel de iones de calcio dentro de la célula. Como se sabe, cuando la excitación y propagación de un impulso eléctrico, los iones se redistribuyen en ambos lados de la membrana neuronal - de hecho, los cambios en la concentración de iones son la base del impulso nervioso. Puede monitorear el trabajo de la neurona por el movimiento de iones dentro y fuera de la célula, y si tenemos una proteína luminosa especial que es sensible a tales redistribuciones de iones, entonces generalmente puede monitorear el trabajo de la célula nerviosa con sus propios ojos, aunque con un microscopio.

De hecho, esta tecnología se ha utilizado durante mucho tiempo para estudiar impulsos nerviosos, pero hasta ahora se ha utilizado en un pequeño número de células nerviosas. Esta vez, la tarea de los científicos era utilizar una proteína brillante para monitorear el trabajo de todo el sistema nervioso a la vez, de modo que la imagen era tridimensional, y que la actividad del sistema nervioso podía ser registrada a alta velocidad. Esto se hizo utilizando un método microscópico especial que permite tomar 50 imágenes por segundo, que luego fueron montadas en una imagen 3-D. Usted puede ver qué neuronas en el gusano están en reposo, que son cuando el gusano se arrastra, y que son cuando se siente algún tipo de olor o estimulación táctil. (En YouTube se puede ver un vídeo del nematodo brillante.

En el nematodo C. elegans, todo el sistema nervioso, de cabeza a cola, tiene sólo 302 neuronas. El frito de cebrafish ya tiene 100.000 células nerviosas, y los científicos no pudieron tener en cuenta la actividad de todos a la vez, limitándose hasta ahora a sólo cinco mil (que todavía no es malo en comparación con trescientas neuronas en gusanos).

Los investigadores notan el punto débil del método que desarrollaron: le permite ver alguna actividad promedio de toda la célula nerviosa, pero ya no le permite ver la actividad de un solo proceso neuronal, axon o dendrite. Sin embargo, los investigadores esperan que puedan mejorar la tecnología y detallar aún más la imagen.

Este trabajo es esencialmente metódico (y se publica en Nature Methods), pero con la ayuda de tal método será posible aprender mucho sobre el funcionamiento de las redes neuronales en la escala de, si no todo el cerebro, entonces al menos parte de él. Por supuesto, podemos decir que el sistema nervioso de nematodos y pez cebra es increíblemente más simple que el de los humanos, pero, en primer lugar, este método se puede aplicar al cerebro de algunos mamíferos experimentales, y, en segundo lugar, algunos patrones del sistema nervioso pueden ser investigados a nivel de gusanos simples. Una vez más, señalamos la característica principal de este enfoque: registramos el trabajo de todo el sistema nervioso (o al menos una proporción bastante grande de neuronas) en tiempo real. Y gracias al hecho de que la actividad de las células nerviosas es visible aquí sin demoras de tiempo, podemos imaginar con más precisión los procesos de información que ocurren en el sistema nervioso.

Sin embargo, este dilema entre el número de neuronas y su actividad todavía no está completamente resuelto: ya sea vemos muchas neuronas, pero no podemos evaluar su trabajo en detalle, o viceversa – vemos todos los detalles de la transmisión de impulsos, pero sólo entre un número limitado de células nerviosas. Sólo podemos esperar un mayor progreso científico y tecnológico.



Fuente: nkj.ru