Los neurocientíficos descubren cómo actúan las células cerebrales de la corteza cerebral en ratones que se mueven libremente

Este nuevo microscopio en miniatura cambia las reglas del juego para explorar el vínculo entre la actividad neuronal y el comportamiento animal complejo

01.12.2022 - Alemania

¿Cómo podemos ver lo que hacen las neuronas en lo más profundo del córtex durante el comportamiento? Los investigadores del Instituto Max Planck para la Neurobiología del Comportamiento - César (MPINB) han desarrollado un microscopio en miniatura lo suficientemente pequeño como para llevarlo en la cabeza de un ratón que se mueve libremente y capaz de medir la actividad neuronal en todas las capas corticales, incluso las más profundas. El microscopio, de dos gramos, puede controlarse a distancia, lo que minimiza la necesidad de manipular al animal. El microscopio también incorpora una nueva tecnología que permite obtener imágenes en entornos iluminados, algo que todos los microscopios comparables tenían dificultades para hacer. Ahora es posible obtener imágenes de la actividad neuronal de todas las capas corticales del ratón que se mueve libremente durante toda la gama de comportamientos del animal. Este nuevo microscopio cambia las reglas del juego para explorar la relación entre la actividad neuronal y el comportamiento complejo de los animales.

¿Cómo produce el cerebro el comportamiento? El estudio del cerebro durante el comportamiento es más informativo cuando el animal es libre de interactuar con su entorno de la forma que desee. Para ello se necesitan pequeños dispositivos montados en la cabeza que permitan acceder al cerebro, pero que no interfieran en el comportamiento del animal. "Nos interesa saber cómo los animales que se comportan libremente utilizan la visión para tomar decisiones en su vida cotidiana, y como muchas de las células cerebrales que se cree que intervienen en este proceso están situadas en lo más profundo de la corteza visual, hemos fabricado un microscopio montado en la cabeza muy ligero que puede medir la actividad de estas neuronas pero que no interfiere en el comportamiento del animal. Hemos dado un gran paso hacia la obtención de imágenes de la actividad cerebral en las profundidades de la corteza de los animales que realizan comportamientos naturales basados en la visión", dijo Jason Kerr, director del Departamento de Comportamiento y Organización del Cerebro.

En el estudio que se publica el 28 de noviembre de 2022 en Nature Methods, los investigadores desarrollaron un microscopio de excitación trifotónica en miniatura de 2 gramos que ofrece una serie de primicias. Por primera vez, es posible obtener imágenes de la actividad neuronal a nivel unicelular de todas las capas corticales sin tener que interferir en el comportamiento del animal, lo que es posible gracias a un mecanismo de enfoque remoto. Su diseño modular también ofrece una configuración de alta resolución que permite realizar registros funcionales de los somatas y dendritas neuronales. Otra característica importante es que, gracias a un sistema de detectores modificado, el microscopio puede utilizarse en condiciones de plena iluminación. "La solidez de nuestro nuevo microscopio en miniatura frente a la luz ambiental nos permite obtener imágenes de la actividad cerebral mientras el animal tiene acceso a todo su repertorio sensorial. Ahora podemos estudiar comportamientos naturales guiados visualmente, como la caza de presas y la evitación de depredadores", afirma Alexandr Klioutchnikov, primer autor del estudio. Para confirmar el alcance y la estabilidad del nuevo microscopio de tres fotones en miniatura, el equipo tomó imágenes de las capas corticales profundas 4 (L4) y 6 (L6) mientras los ratones exploraban libremente una arena. Resultó que las neuronas de las capas L4 y L6 se modulaban diferencialmente en función de la luz ambiental.

Dado que el microscopio puede volver a montarse fácilmente en la misma posición, las mismas poblaciones neuronales pueden ser objeto de imágenes en sesiones de seguimiento repartidas a lo largo de varios días. Esto abre la posibilidad de controlar los cambios en la actividad del cerebro, por ejemplo, mientras el animal está aprendiendo.

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Publicación original

Klioutchnikov, A., Wallace, D.J., Sawinski, J. et al. A three-photon head-mounted microscope for imaging all layers of visual cortex in freely moving mice. Nat Methods (2022)

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Klioutchnikov, A., Wallace, D.J., Sawinski, J. et al. A three-photon head-mounted microscope for imaging all layers of visual cortex in freely moving mice. Nat Methods (2022)

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