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Imaging Brain Circuits to Decode Brain Computations: Multimodal Multiscale Imaging of Cortical Microcircuits to Model Predictive Coding in Human Vision

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Un nuevo atlas del encéfalo revela sus conexiones con un detalle sin precedentes

La combinación de la IRM de campo ultraalto con la microscopía de lámina de luz personalizada ayudó a construir una imagen exhaustiva y de alta resolución de la estructura 3D del encéfalo.

Salud

El encéfalo humano tiene aproximadamente ochenta y seis mil millones de neuronas y un número igual de células de apoyo, organizadas en redes y circuitos complejos, cuya arquitectura sigue sin conocerse en profundidad. El proyecto MULTICONNECT, financiado con fondos europeos, se propuso arrojar luz sobre la estructura del encéfalo mediante el uso de innovadoras técnicas de imagenología. En el pasado, el método más común para estudiar la anatomía del encéfalo humano era cortar secciones delgadas de alrededor de cien micrones de espesor y examinarlas con un microscopio. Sin embargo, hacerlo de este modo destruye y por lo tanto oculta las estructuras tridimensionales del órgano. Alard Roebroeck, coordinador del proyecto, explica: «Si uno toma la corteza, debe mirarla en un campo de visión lo suficientemente grande para tener una perspectiva de su complicada estructura 3D. Queremos mirar el encéfalo de una forma multiescala y multimodal, para tener una perspectiva medida en centímetros, pero al mismo tiempo una resolución de células individuales».

Alta potencia

Para lograrlo, Roebroeck y su equipo, del área de Imagenología Multiescala de la Conectividad Encefálica en el Departamento de Neurociencia Cognitiva en la Universidad de Maastricht, tomaron muestras grandes de tejido neural de cadáveres, incluidos encéfalos completos, y obtuvieron imágenes con un escáner de resonancia magnética (IRM) de campo ultraalto. «Los escáneres de IRM en los hospitales generalmente operan a 1,5-3 teslas y tienen una resolución isotrópica de alrededor de 1 mm», explica Roebroeck. «Usamos hasta 9,4 teslas, con bobinas de radiofrecuencia personalizadas y tiempos de obtención de imágenes más largos, para adquirir imágenes de todo el encéfalo a 100 micrones o menos». Luego, estos datos se combinaron con imágenes capturadas a través de microscopía de fluorescencia de lámina de luz. Esta técnica ilumina las muestras con una lámina plana de luz láser, lo que permite obtener imágenes del interior del tejido en secciones ópticas delgadas sin alterar su estructura 3D y a una velocidad de imagenología muy alta. Para maximizar la conservación de las estructuras 3D, Roebroeck utilizó secciones grandes de tejido cerebral de hasta 5 mm de grosor, haciéndolas transparentes primero al eliminar el material no deseado, como los lípidos. Para la manipulación de las muestras de este tamaño, que miden 8 cm cuadrados o más, se tuvo que diseñar y construir un microscopio óptico personalizado. Roebroeck y su equipo pudieron visualizar detalles exactos, como las capas individuales, las columnas y las células de la lámina cortical, en sí misma de solo 4 mm de espesor. «Somos los primeros en obtener imágenes de esto con una resolución de 75 micrones en todo el cerebro», agrega.

Procesamiento de datos

El proyecto generó enormes cantidades de datos, con datos para una sola muestra que contenían hasta diez terabytes de información. «Los avances en imagenología siempre conllevan desafíos, se necesitan formas nuevas de adaptar, procesar y manejar los datos, que son mil veces mayores que lo que estamos acostumbrados», señala Roebroeck. El trabajo contó con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación. Las técnicas de imagenología ya han despertado interés por su potencial en otros campos, como el análisis de tumores en patología y la colocación de implantes en la estimulación encefálica. El nuevo atlas de la estructura del encéfalo se pondrá a disposición de otros investigadores. Una cuestión clave para Roebroeck es la forma en que la microestructura del encéfalo define el tipo de cálculos que puede realizar. «Estamos empezando a cambiar la visión de la computación en el encéfalo. Ahora sabemos mejor qué limitaciones existen y los tipos de circuitos que se pueden formar en esas células», explica.

Palabras clave

MULTICONNECT, encéfalo, estructura, IRM, imagenología, tesla, lámina de luz, microscopía, resolución, terabytes, corteza, lámina cortical

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