Funcionamiento interno de células cerebrales reveladas por robots

Entrar en los trabajos internos de un neurona en el cerebro vivo es una tarea tan laboriosa, compleja y complicada que se considera una forma de arte, que solo se puede realizar en un pequeño número de laboratorios en todo el mundo.
El funcionamiento interno de una neurona en el cerebro vivo proporciona una gran cantidad de información útil. Por ejemplo, ofrece información sobre los patrones de actividad eléctrica del cerebro, su forma e incluso un perfil de los genes que se activan en un momento determinado.
Según la edición del 6 de mayo de Métodos de la naturaleza, investigadores del MIT y Georgia Tech han desarrollado un método para automatizar el proceso de búsqueda y registro de información de neuronas en el cerebro vivo.
En una colaboración entre el laboratorio de Ed Boyden, profesor asociado de ingeniería biológica y ciencias cognitivas y cerebrales en el MIT, y Craig Forest, profesor asistente de ingeniería mecánica en Georgia Tech, los investigadores demostraron que un brazo robótico guiado por un algoritmo informático de detección de células tenía mayor precisión y velocidad en la identificación y el registro de las neuronas en el cerebro del ratón vivo que un experimentador humano.
El uso de este nuevo proceso automatizado significa que la información largamente pensada sobre las actividades de las células vivas se puede obtener sin tener que proporcionar meses de entrenamiento a los investigadores. Esta nueva técnica permite a los científicos clasificar los miles de tipos de células cerebrales diferentes y mapear cómo están vinculados, así como aprender cómo las células enfermas se diferencian de las células normales.
Forest dice:

"Nuestro equipo ha sido interdisciplinario desde el principio, y esto nos ha permitido llevar los principios del diseño de máquinas de precisión al estudio del cerebro vivo".

La estudiante graduada de Forest, Suhasa Kodandaramaiah, es la principal autora del estudio y ha pasado los últimos dos años como estudiante visitante en el MIT.
Según Boyden, miembro del Media Lab del MIT y del McGovern Institute for Brain Research, el método podría ser particularmente útil en el estudio de los trastornos cerebrales, como la esquizofrenia, la enfermedad de Parkinson, el autismo y la epilepsia.
Él continúa:

"En todos estos casos, una descripción molecular de una célula que está integrada con [sus] propiedades eléctricas y de circuito ... sigue siendo esquiva. Si realmente pudiéramos describir cómo las enfermedades cambian las moléculas en células específicas dentro del cerebro vivo, podría permitir una mejor droga objetivos que se encuentran ".

Boyden, Forest y Kodandaramaiah decidieron automatizar una técnica de 30 años de antigüedad, conocida como pinzamiento de células enteras, que requiere un nivel de habilidad que, por lo general, lleva un estudiante de postgrado de varios meses aprender. La técnica consiste en poner una pequeña pipeta de vidrio hueco en contacto con la membrana celular de una neurona, y luego abrir un pequeño poro en la membrana para registrar la actividad eléctrica dentro de la célula.
Después de cuatro meses de aprender la técnica manual de patch-clamp, Kodandaramaiah dice:

"Cuando me volví razonablemente bueno, pude sentir que a pesar de ser una forma de arte, se puede reducir a un conjunto de tareas y decisiones estereotipadas que podrían ser ejecutadas por un robot".

Kodandaramaiah y su equipo construyeron un brazo robótico que baja una pipeta de vidrio en el cerebro de un ratón anestesiado con precisión micrométrica. A medida que el brazo se mueve, la pipeta monitorea la impedancia eléctrica, es decir, una medida de lo difícil que es que la electricidad salga de la pipeta. Si no hay células alrededor, los flujos de electricidad y la impedancia son bajos, sin embargo, cuando la punta golpea una celda, la electricidad no puede fluir libremente y la impedancia aumenta. La pipeta toma pasos de dos micrómetros, mide la impedancia 10 veces por segundo y, una vez que detecta una celda, puede detenerse instantáneamente para que no atraviese la membrana.

Boyden dice:

"Esto es algo que un robot puede hacer que un ser humano no puede".

Una vez que la pipeta ha detectado una célula, aplica succión para formar un sello con la membrana de la célula, de modo que el electrodo pueda atravesar la membrana y registrar la actividad eléctrica interna de la célula.
La precisión del sistema robótico en la detección de células es del 90%, con una tasa de éxito del 40% de establecer una conexión con las células detectadas. El nuevo método también se puede usar para determinar la forma de una celda al inyectar un tinte. Los investigadores actualmente están explorando extraer el contenido de una célula para leer su perfil genético, así como ampliar el número de electrodos para permitir las grabaciones de múltiples neuronas a la vez. Plantean la hipótesis de que esto podría permitirles determinar cómo se conectan las diferentes partes del cerebro.
También están en proceso de colaboración para comenzar a categorizar los miles de tipos de neuronas en el cerebro. El medio más común de clasificación de esta "lista de partes" para el cerebro es identificar las neuronas por su forma, sin embargo, el nuevo método permite que las neuronas se clasifiquen más por su actividad eléctrica y perfil genético.
Forest explica:

"Si realmente quieres saber qué es una neurona, puedes mirar la forma y observar cómo se dispara. Luego, si extraes la información genética, realmente puedes saber lo que está pasando. Ahora lo sabes todo . Esa es toda la imagen ".

Boyden cree que esto es solo el comienzo del uso de la robótica en la neurociencia para estudiar animales vivos, dado que un robot como el suyo también podría usarse en el futuro para infundir drogas en puntos específicos del cerebro o para administrar vectores de terapia genética. Él espera que su invención inspire a los neurocientíficos a desarrollar otras formas de automatizaciones robóticas. Por ejemplo, en optogenética, utilizando luz para perturbar los circuitos neuronales específicos y determinar qué papel desempeñan las neuronas en las funciones cerebrales.
Afirmando que n euroscience es una de las pocas áreas de la biología donde los robots aún tienen un gran impacto, Boyden concluye:

"El proyecto del genoma fue hecho por humanos y un conjunto gigante de robots que harían toda la secuencia del genoma. En la evolución dirigida o en la biología sintética, los robots hacen mucha biología molecular. En otras partes de la biología, los robots son esenciales".

Escrito por Petra Rattue