El Microscopio de Dos Fotones Permite a los Investigadores Monitorear la Actividad Cerebral en Tiempo Real

El monitoreo de la actividad cerebral ha sido un componente esencial de la neurociencia desde que surgió la capacidad. El cerebro humano se entiende menos que el universo y los océanos. Por ello, hay un esfuerzo masivo por desentrañar los misterios que se encuentran dentro de tu mente. Ahora, los investigadores pueden profundizar en la actividad mental en tiempo real utilizando un método revolucionario de microscopio de fluorescencia de dos fotones. Esto es lo que necesitas saber.

Comprender la actividad cerebral es crucial para muchas industrias, incluido el tratamiento de enfermedades neurológicas como el Alzheimer. Los científicos han dedicado un esfuerzo considerable a desentrañar cómo las neuronas se comunican e interactúan durante el pensamiento. El objetivo de esta investigación es comprender plenamente las complejas interacciones neuronales hasta la resolución celular.

Los investigadores esperan usar estos datos para arrojar luz sobre las funciones cerebrales fundamentales, lo que podría, algún día, conducir a una mejora del aprendizaje, la memoria, la toma de decisiones y la atención sanitaria. Para lograr esta tarea crearon una herramienta avanzada de imagen de dos fotones capaz de rastrear procesos neuronales dinámicos en tiempo real, permitiendo una comprensión más profunda del cerebro durante el aprendizaje, las actividades y los estados de enfermedad.

Métodos Actuales de Registro de la Actividad Cerebral

Existen varios métodos de registro de la actividad cerebral en uso hoy en día. Estos enfoques han ayudado a que la industria se desarrolle hasta la fecha. Sin embargo, presentan algunas desventajas significativas, como que requieren más tiempo para monitorear la actividad, pueden ser perjudiciales para el paciente y son costosos. Los dos métodos más comunes en uso actualmente son la Imagen por Resonancia Magnética Funcional (fMRI) y la Electroencefalografía (EEG).

Imagen por Resonancia Magnética Funcional (fMRI)

La Imagen por Resonancia Magnética Funcional es uno de los métodos más avanzados para monitorear las ondas cerebrales hoy en día. Este procedimiento no invasivo integra campos magnéticos y ondas de radio para crear una imagen 3D de los pulsos electromagnéticos de tu cerebro. Esta estrategia representó una gran mejora respecto a opciones anteriores, ya que permitió a los investigadores acercarse a un conjunto particular de neuronas, mejorando enormemente su comprensión general de la actividad cerebral.

Electroencefalografía (EEG)

Otro método que quizás hayas visto en películas es la Electroencefalografía. Este enfoque mide la actividad eléctrica de tu cerebro. Los pacientes deben colocar sensores especiales en el cuero cabelludo que son sensibles a corrientes eléctricas. Este método de seguimiento de ondas cerebrales se ha utilizado desde 1975, cuando Richard Caton lo empleó por primera vez para rastrear los pulsos eléctricos encontrados en los cerebros de conejos y monos con éxito.

Desde entonces, este método de registro de la actividad cerebral ha mejorado significativamente. En la década de 1950 se introdujo la primera iteración moderna del EEG. Sirvió fielmente como el método principal para rastrear ondas cerebrales hasta la década de 1980. En 1988, se utilizó para permitir que una persona controlara un robot y todavía es usado por muchos investigadores.

Estudio

El estudio “Microscopía de dos fotones de alta velocidad con excitación lineal adaptativa” se publicó en Optica, revelando cómo la microscopía de dos fotones puede proporcionar imágenes de alta velocidad sin igual de la actividad neuronal. Estas fotos se realizaron a resolución celular utilizando un microscopio de fluorescencia de dos fotones construido a medida.

Microscopio de Fluorescencia de Dos Fotones

El microscopio de fluorescencia de dos fotones es capaz de proporcionar imágenes vibrantes en profundidad del tejido cerebral. Para lograr esta tarea, el mecanismo introduce una estructura de muestreo adaptativo. Esta estructura se repetiría a lo largo del experimento para crear imágenes 3D dinámicas y mapas de la actividad cerebral.

Estrategia de Muestreo Adaptativo

En el núcleo del estudio se introduce la estrategia de muestreo adaptativo. Este método reemplaza las técnicas tradicionales de iluminación puntual. En su lugar, se emplea una estrategia de iluminación lineal más eficaz junto con un método de escaneo puntual actualizado que brinda mucho más detalle y capacidades de monitoreo en comparación con los métodos anteriores.

Escaneo Puntual

El escaneo puntual en los métodos antiguos dejaba mucho que desear. Por un lado, era extremadamente específico, lo que a menudo llevaba a la imposibilidad de rastrear una secuencia completa de neuronas a través del cerebro. El nuevo método de escaneo puntual utiliza una estrategia de iluminación lineal modificada para imitar los métodos de escaneo puntual de alta resolución. Esta estrategia es crucial para identificar qué áreas del cerebro deben pasar al siguiente paso del proceso, el escaneo lineal.

Iluminación Lineal

La iluminación lineal es un avance para los ingenieros de neurología. El método proyecta una pequeña línea de luz a través de un área muestreada. Este enfoque excita la fluorescencia, lo que facilita el seguimiento de señales neurológicas a lo largo del cerebro de principio a fin. Además, este enfoque permite que una zona mucho mayor del cerebro sea excitada, escaneada y mapeada en tiempo real.

Pruebas del Microscopio de Dos Fotones

La fase de pruebas del microscopio de fluorescencia de dos fotones involucró a dos ratones de laboratorio, en los cuales los investigadores pudieron rastrear la actividad neuronal en la corteza de un ratón en tiempo real. Notablemente, la unidad puede capturar señales de imagen hasta 198 Hz actualmente. En esta prueba, los ingenieros rastrearon señales de calcio que pueden indicar actividad neuronal reciente.

Dispositivo de Micromirror Digital (DMD)

Para lograr esta tarea, se forma un patrón de haz láser especialmente configurado utilizando un dispositivo de micromirror digital (DMD). Esta unidad contiene miles de micromirrors microscópicos. Cada uno de estos espejos tiene controles individuales que les permiten moldear y dirigir la luz a partes precisas del cerebro. Además, los espejos pueden configurarse para activarse y desactivarse según la actividad neuronal, lo que permite una mejor imagen en todos los estados cerebrales.

fuente – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Resultados de Pruebas del Microscopio Fluorescente de Dos Fotones

Los resultados de las pruebas han generado datos inesperados que tienen el potencial de mejorar los métodos actuales y revolucionar la industria. Por un lado, el estudio reveló cómo el microscopio de fluorescencia de dos fotones ofrece una visión sin igual del funcionamiento interno del cerebro. La capacidad de crear imágenes de alta velocidad utilizando excitación de línea corta y el esquema de muestreo adaptativo abre la puerta a muchos usos futuros potenciales.

Los investigadores descubrieron que el nuevo método les permitió monitorear neuronas individuales a un nivel nunca antes posible. Estos nuevos datos servirán para crear algoritmos computacionales avanzados que algún día ayudarán a los neurólogos a aislar y comprender mejor el uso de neuronas individuales.

Beneficios

Este estudio aporta una larga lista de beneficios al mercado. Por un lado, este estilo de imagen cerebral permite a los investigadores comprender la arquitectura funcional del cerebro de maneras que antes eran inimaginables. Ahora pueden ver cómo ciertas células cerebrales interactúan y se comunican durante procesos específicos.

Tratamiento de Enfermedades Neurológicas

Esta comprensión puede resultar fundamental para combatir el aumento de enfermedades neurológicas como el Alzheimer y el Parkinson. Ambas dolencias quitan la vida a cientos de miles de personas cada año. En EE. UU., aproximadamente +120 mil personas mueren solo por Alzheimer. Lamentablemente, se espera que esta cifra aumente a 13,8 millones a nivel mundial para 2060.

Comprender cómo funciona el cerebro en estos estados frente a cuando está sano puede permitir a los ingenieros cerrar esa brecha y devolver al cerebro sus operaciones originales. Por ahora, los datos tienen un valor inmenso para desbloquear los muchos secretos necesarios para hacer realidad este tipo de tratamiento.

Aprendizaje

Otra razón importante por la que el monitoreo de la actividad cerebral es crucial para el futuro de una nación es que podría usarse para mejorar el aprendizaje. Comprender qué hace que un recuerdo perdure o cómo recordar elementos más rápido son solo algunas áreas de interés que este estilo de monitoreo cerebral podría mejorar. En el futuro, los planes de estudio podrían basarse en la retención neuronal en lugar de los numerosos estándares actuales.

Imágenes Más Rápidas

Utilizar los métodos antiguos para medir la actividad neurológica era eficaz pero consumía tiempo. Además, no proporcionaban imágenes lo suficientemente rápidas para ofrecer a los investigadores los detalles necesarios para una comprensión compleja de las acciones mentales. Este nuevo método es 10 veces más rápido que la microscopía de dos fotones tradicional, lo que permite a los investigadores monitorear y rastrear fenómenos mentales que los sistemas antiguos no podían registrar.

Menos Daño

El rendimiento más rápido equivale a una menor exposición para los pacientes. Además, el sistema requiere láseres menos potentes. Al reducir la potencia del láser y acortar la exposición, los pacientes reciben mucha menos radiación energética depositada en su tejido cerebral. El nuevo sistema solo ilumina las neuronas en cuestión, reduciendo el riesgo de daño al tejido sensible.

Menos Costos

La reducción de costos es otro beneficio que aporta el nuevo enfoque. Según el estudio, el microscopio de fluorescencia de dos fotones requiere 10 veces menos potencia láser en comparación con los métodos tradicionales de dos fotones. Esta reducción de potencia equivale a mayor sostenibilidad y menor impacto ambiental.

Expansible

Una de las mayores ventajas de la nueva técnica es que puede combinarse sin problemas con otros métodos eficaces. Ya, los investigadores han anunciado planes para acoplar el dispositivo con otros procedimientos como la multiplexación de haces y el enfoque remoto. Estas técnicas aumentan la velocidad de imagen y permiten la creación de imágenes volumétricas 3D en tiempo real.

Investigadores

Este estudio se llevó a cabo en la Universidad de California, Davis, con Yunyang Li como autor principal. El equipo de investigación incluyó a Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo y Weijian Yang. La financiación del proyecto provino de diversas fuentes, entre ellas el Burroughs Wellcome Fund, la National Science Foundation, el National Institute of Neurological Disorders and Stroke y el National Eye Institute.

Dos Empresas que Pueden Prosperar con esta Investigación

Muchos fabricantes podrían integrar esta tecnología en sus ofertas para proporcionar un nivel de servicio superior al mercado. Desde empresas que buscan aliviar la demencia hasta firmas de robótica, existen innumerables razones por las que aprovechar la actividad cerebral y comprenderla tiene sentido. Aquí hay dos empresas que están posicionadas para adoptar esta tecnología en los próximos meses.

1. BrainChip Holdings Ltd

BrainChip Holdings Ltd es un simulador de software de redes cerebrales popular. La empresa ingresó al mercado en 2004 y tiene su sede en Australia. Su fundador, Peter Van Der Made, ha sido fundamental para mantener los esfuerzos pioneros de la firma enfocados en integrar inteligencia artificial (IA) avanzada y aprendizaje automático (ML) para mejorar sus resultados.

Hoy, la empresa ofrece una variedad de productos, incluyendo una infraestructura IoT modelada según la red neuronal del cerebro. Otro producto popular que ha ayudado a BrainChip a ganar notoriedad es el Entorno de Desarrollo Akita, que permite a los desarrolladores crear, entrenar y probar redes neuronales experimentales.

BrainChip Holdings ha experimentado algunas desventajas desde 2023. Sin embargo, el software más reciente de la empresa y sus incursiones en los sectores de IA y ML han reavivado el interés de los inversores. Por lo tanto, se considera que BrainChip Holdings Ltd tiene un fuerte potencial alcista.

2. Biogen

Biogen es una empresa de investigación farmacéutica que ha causado sensación en el mercado recientemente. El fabricante con sede en Massachusetts se especializa en el tratamiento y cuidado de enfermedades neurológicas. Actualmente, cuenta con productos que ayudan a tratar enfermedades neurológicas, neurodegenerativas y autoinmunes.

Biogen ha recibido algunas críticas por acelerar algunos de sus tratamientos, pero eso no ha ralentizado el ascenso de la empresa a la prominencia en el mercado. Su último lanzamiento, Leqembi, fue aprobado por la FDA mediante vía rápida y está diseñado para tratar la enfermedad de Alzheimer. La empresa ha visto que el uso de su último fármaco casi se ha triplicado en el último año, lo que ha ayudado a la firma a asegurar una posición de mercado más fuerte. Por lo tanto, la exposición temprana de Biogen al mercado de tratamientos para el Alzheimer y su combinación de ofertas la convierten en una compra potencialmente fuerte para los inversores.

El Microscopio de Dos Fotones Ofrece una Visión del Futuro

El microscopio de fluorescencia de dos fotones lleva a la humanidad un paso más cerca de poder interactuar con su entorno usando solo el pensamiento. Este equipo de investigación innovador ha ampliado los límites de la investigación neurológica y ha surgido con una visión nunca antes vista de la actividad cerebral humana. Esta investigación seguramente generará estudios adicionales que algún día podrían conducir a menos enfermedades neurológicas y a muchos otros avances.

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