Mistérios do Cérebro https://www.btnrc.org/mysterious-brain-circuitry-becomes-viewable/
No início deste ano, pesquisadores da Universidade de Stanford, pela primeira vez registrou 1.000 neurônios trabalhando em conjunto em um cérebro vivo durante um mês. As células do cérebro piscou como luzes da árvore de Natal como um rato teste movido livremente em torno de sua gaiola.
Eles logo foram capazes de identificar a localização do rato apenas observando suas células cerebrais.
"Podemos reconstruir onde o animal está em seu espaço, olhando para a gravação do cérebro", disse Stanford neurocientista Mark Schnitzer, que liderou o grupo de pesquisa que inventou o dispositivo de monitoramento com fio.
Essa experiência faz parte de uma onda de inovação acontecendo este ano no estudo do órgão humano mais misterioso. Neurocientistas ter inventado uma meia dúzia de novas técnicas de bioengenharia para fazer diagramas de fiação úteis de circuitos cerebrais que podem ajudar a traçar as conexões entre as células do cérebro, comportamento e doença.
Apesar de décadas de trabalho intenso, ninguém hoje sabe muito sobre como alguns milhares ou mais dispersos células cerebrais trabalham juntos como um circuito para criar um pensamento específico, memória, ação ou emoção e como essas redes de neurônios dar errado. No entanto, esses circuitos são peças-chave no quebra-cabeça do cérebro.
Nos laboratórios em os EUA ea Europa, os cientistas estão envolvendo o cérebro em lençóis macios de circuitos de sensores microscópicos, iluminando-lo de dentro usando diodos celulares porte, transformando-o em um transmissor sem fios, ou, como o Dr. Schnitzer, espionando-a com um microscópio pequeno o suficiente para equilibrar em seu polegar. Os cientistas ainda descobriram uma maneira de fazer um cérebro inteiro transparente, tudo para melhor estudar a trama de neurônios e sinapses que compõem o andaime do pensamento.
A fiação neural no cérebro do rato, pintados de verde e vista de baixo, depois que cientistas arrancada gorduras que normalmente tornam opaca. Kwanghun Chung e Karl Deisseroth, da Universidade de Stanford
Técnicas de imagem cerebral atuais, como a ressonância magnética funcional ou a tomografia por emissão de pósitrons , medir o fluxo e refluxo da atividade em grandes regiões cerebrais semelhantes continentes visualização em um globo. Outros podem atingir apenas um neurônio de cada vez. Mas nenhum deles pode identificar as relações de trabalho do cérebro.
Cientistas querem transformar esses mapas cerebrais comparativamente bruto em renderings detalhados que podem documentar a forma como o cérebro humano é de 100 bilhões de neurônios, como muitas células como estrelas na Via Láctea-instantaneamente ligação em circuitos através de trilhões de caminhos.
Uma imagem de neurônios fluorescentes manchadas de um cérebro intacto mouse. Ele mostra uma rede neural de um StanfordUniversity estudo ligações de desenho entre as células e doenças. Kwanghun Chung e Karl Deisseroth / Universidade de Stanford
"Podemos olhar para o cérebro e tirar fotos dele, mas no final, queremos saber como todas essas conexões e fios se encaixam", disse o neurobiólogo Michael Bruchas naWashington University School of Medicine, em St. Louis."Esses avanços são realmente acelerando nosso entendimento a um ritmo notável."
Para desvendar os rosnados de tantas sinapses, os Institutos Nacionais de Saúde em 2010 lançou um de cinco anos, o esforço de 40.000 mil dólares chamado Connectome Human Project. No ano passado, o Instituto do Cérebro Allen em Seattle começou a financiamento privado esforço de US $ 300 milhões para mapear os circuitos básicos do cérebro de percepção. No início deste mês, o presidente Obama anunciou um projeto de mapeamento cerebral ambicioso, prometendo 100 milhões de dólares no ano federal, dinheiro de semente .
Trabalhando independentemente desses grandes projetos, bioengineers em laboratórios de universidades têm atraído sobre os recentes avanços em litografia em nanoescala, a microscopia em miniatura, a engenharia genética e técnicas de imagem bioquímicas para a construção de novas ferramentas para revelar as relações entre as células cerebrais.
Na França, os pesquisadores no mês passado apresentou sua invenção de biocompatíveis transistores, microscópicas que podem ser usados com segurança para amplificar e registro de sinais de dentro do cérebro. A folha destes transistores é macio e flexível o suficiente para que possa ser enrolado de forma segura ao longo da superfície curva do cérebro para gravar sinais eléctricos a partir de um grande número de neurónios por um período de tempo prolongado.
"Somos capazes de medir as atividades que se originam mais profundamente no cérebro a partir da superfície, sem penetrar no cérebro", disse o engenheiro de materiais George Malliaras no Centro Microelectronics da Provence, na França, que liderou a equipe de pesquisa. "Isso nos dá gravações de qualidade muito mais elevados de atividade cerebral do que antes-10 vezes melhor."
Outros pesquisadores, no entanto, estão experimentando com formas seguras de injetar sondas microscópicas profundamente em um cérebro vivo para estudar circuitos neurais.
No início deste mês, o Dr. Bruchas e seus colegas fizeram público o seu desenvolvimento de diodos emissores de luz milhares de vezes menores do que os atualmente disponíveis no mercado. Rosca em um fio de um quinto da espessura de um cabelo humano, essas sementes minúsculas de luz pode ser injetado para ativar redes especiais de neurônios sensíveis à luz.
"Eles não são muito maiores do que as dimensões de um neurônio no cérebro", disse o cientista de materiais John Rogers, da Universidade de Illinois, que ajudou a desenvolvê-las. Além disso, a nova técnica pode ser usada para injectar outros sensores electrónicos ultrasmall no tecido do cérebro. "Ele fornece uma receita para a entrega de todos os tipos de tecnologias avançadas, tais como circuitos integrados completos para baixo no cérebro", disse Rogers.
No Laboratório Nacional Brookhaven, em Upton, Nova Iorque, os investigadores disseram este mês que encontraram uma maneira de rastrear um circuito cérebro inteiro, como a atividade neural se espalha de um neurônio para outro. Eles combinaram de imagem PET convencional, que requer um marcador radioativo para destacar a atividade metabólica do cérebro, com outros recentes avanços na engenharia genética de células cerebrais que lhes permite direcionar circuitos específicos do cérebro em animais de laboratório.
"Você pode capturar um mapa do circuito no cérebro que estava ativa", disse o neurocientista Panayotis Brookhaven K. Thanos, que ajudou a desenvolver a técnica.
E no início deste mês, cientistas da Universidade de Stanford anunciaram que tinham descoberto uma maneira de fazer um cérebro tão claro como vidro, permitindo-lhes traçar redes neurais onde quer que eles podem levar. Os cientistas descobriram uma maneira de remover quimicamente as gorduras lipídios que normalmente fazem o tecido cerebral opaco, com efeito transformar qualquer espécime do cérebro pós-morte em uma janela de imagem que revela a sua estrutura interna.
Esforços anteriores para documentar a fiação neural geralmente necessária amostras de tecido cerebral para ser cortado em centenas ou milhares de seções finas e depois meticulosamente reconstruído. Por meio circulante, que pode demorar anos para pesquisadores rastrear os 10.000 ou mais sinapses que se ramificam a partir de apenas um único neurônio.
Na técnica nova, circuitos tridimensionais do cérebro e a sua estrutura molecular permanecer intacto.
"Isso nos permite manter o sistema intacto, mas nos permite ver dentro dele", disse Stanford neurocientista Karl Deisseroth, pioneiro da técnica. "Com algo tão interconectado e complexo como o cérebro, você perderia uma grande quantidade de informações, se você desmontou-o."
Escreva para Robert Lee Hotz em sciencejournal@wsj.com