Revelan Interacciones entre la Actividad Neuronal y el Flujo Sanguíneo

El cerebro es un órgano complejo que depende de las neuronas para comunicarse. Los científicos estudian cómo funcionan las neuronas al observar cómo responden a diferentes actividades, como mover o ver cosas. Un método que se utiliza para observar la actividad neuronal es la imagen óptica, que mide los cambios en la luz emitida por sensores especiales en las neuronas. Estos sensores pueden reaccionar a diferentes señales, como los niveles de Calcio, lo que indica actividad neuronal.

Sin embargo, cuando medimos estos cambios, debemos considerar los efectos del flujo sanguíneo en el cerebro. El flujo sanguíneo puede cambiar dependiendo de cuán activas estén las neuronas. A medida que las neuronas se activan, pueden hacer que los vasos sanguíneos cercanos se ensanchen o se contraigan, lo que afecta cómo viaja la luz a través del tejido cerebral. Esta interacción entre el flujo sanguíneo y la actividad neuronal es esencial entenderla, ya que puede impactar la precisión de las mediciones tomadas con técnicas de imagen óptica.

#Lo básico de la imagen óptica

La imagen óptica es una técnica utilizada para observar neuronas vivas en el cerebro. Los investigadores suelen usar sensores que responden al calcio, una sustancia que entra en las neuronas cuando están activas. Cuando los niveles de calcio aumentan, los sensores producen un cambio en la fluorescencia, que se puede detectar a través de técnicas de imagen. Esto permite a los científicos ver qué neuronas están activas en cualquier momento.

En situaciones de la vida real, la presencia de sangre puede interferir con las mediciones de luz. Los cambios en el flujo sanguíneo causados por la actividad neuronal pueden crear un fenómeno conocido como oclusión hemodinámica. Esto significa que la luz de los sensores puede ser bloqueada o alterada por la sangre que fluye a través de los vasos cercanos.

#El papel de la hemodinámica

La hemodinámica se refiere al estudio del flujo sanguíneo y sus efectos dentro del cuerpo. En el cerebro, cuando las neuronas se activan, envían señales a los vasos sanguíneos cercanos, haciendo que cambien de tamaño. Cuando los vasos sanguíneos se expanden (vasodilatación), más sangre fluye hacia el área, mientras que cuando se contraen (vasoconstricción), el flujo sanguíneo disminuye. Estos cambios pueden afectar cómo viaja la luz a través del tejido cerebral y pueden complicar la interpretación de los resultados de la imagen óptica.

Hay una conexión clara entre la actividad neuronal y el flujo sanguíneo conocida como Acoplamiento Neurovascular. Esto significa que cuando las neuronas están activas, los vasos sanguíneos se ajustan para apoyar esa actividad. Sin embargo, esta relación también puede crear desafíos al intentar medir la verdadera actividad neuronal usando sensores, ya que los cambios hemodinámicos pueden oscurecer los resultados.

#Investigando los señales hemodinámicas

Para entender mejor la relación entre la actividad neuronal y los cambios en el flujo sanguíneo, los investigadores realizaron estudios en ratones. Usaron un marcador específico, GFP (proteína fluorescente verde), para visualizar la actividad neuronal independientemente de los cambios en los niveles de calcio. Al hacer imágenes del GFP mientras los ratones interactuaban con un entorno virtual, buscaban ver cómo respondían los marcadores a diferentes comportamientos, como correr o ver estímulos visuales.

Los resultados mostraron que la señal de GFP cambiaba significativamente durante el movimiento y en respuesta a estímulos visuales, similar a cómo reaccionaban los indicadores de calcio como GCaMP. Estos hallazgos sugieren que las señales hemodinámicas pueden ser sustanciales y variar en diferentes áreas del cerebro.

#Técnicas y procedimientos de imagen

En los estudios, los investigadores inyectaron un vector AAV que contenía el GFP en regiones específicas del cerebro de los ratones, permitiendo que el marcador se expresara en neuronas corticales. Luego usaron un microscopio de dos fotones para capturar las señales de GFP mientras los ratones exploraban un entorno virtual. Esta configuración de realidad virtual permitía realizar experimentos controlados examinando cómo interactuaban la actividad neuronal y el flujo sanguíneo durante varias tareas.

Los investigadores encontraron que cuando los ratones comenzaban a correr, había un aumento notable en la fluorescencia de GFP en las neuronas. Esta respuesta era similar en magnitud a lo que se observa típicamente con indicadores de calcio. Por otro lado, cuando se mostraban patrones visuales en movimiento (rejillas) a los ratones, la señal de GFP disminuía, lo que sugiere que los estímulos visuales también impactan la dinámica del flujo sanguíneo.

#Analizando las respuestas de las neuronas

Los investigadores compararon las respuestas de diferentes capas de la corteza, como la capa 2/3 y la capa 5 de la corteza visual (V1) y la corteza cingulada anterior (ACC). Observaron variaciones en cómo cambiaba la fluorescencia de GFP en respuesta a estímulos según la región cortical específica y la profundidad de la imagen.

Por ejemplo, al observar las neuronas de la capa 5, los cambios de fluorescencia durante la carrera eran más pequeños en comparación con los de la capa 2/3. Sin embargo, ambas capas mostraron respuestas significativas a la Locomoción y los estímulos visuales. Curiosamente, en la ACC, las neuronas también mostraron un fuerte aumento en la fluorescencia de GFP durante la carrera, indicando la complejidad en capas de las interacciones neuronales y hemodinámicas.

#Entendiendo las respuestas individuales de las neuronas

Los investigadores también exploraron si las neuronas individuales podían responder significativamente a diferentes estímulos. Midieron las respuestas de las neuronas en la corteza visual durante la locomoción y la presentación de estímulos visuales. Notablemente, un número considerable de neuronas mostró cambios significativos en la fluorescencia de GFP en respuesta a estos eventos.

Aunque la respuesta general de la población fue similar entre GFP y los indicadores de calcio, al mirar las respuestas de neuronas individuales, los indicadores de calcio generalmente mostraron un rango más extenso de actividad máxima. Esto sugiere que, si bien la oclusión hemodinámica juega un papel en las señales de fluorescencia globales, las neuronas individuales aún pueden exhibir niveles de actividad distintos.

#Influencia hemodinámica en la actividad neuronal

Uno de los hallazgos significativos de la investigación es que los cambios en la fluorescencia de GFP estaban estrechamente relacionados con el tamaño y la dilatación de los vasos sanguíneos. Esta relación indica que a medida que los vasos sanguíneos se expanden o contraen, la transmisión de luz se ve afectada, impactando la fluorescencia observada de las neuronas.

La investigación mostró que durante ciertos experimentos, los vasos sanguíneos en el área observada se dilataban en respuesta a los estímulos visuales. Al rastrear tanto el tamaño de los vasos sanguíneos como los cambios en la fluorescencia de GFP, los investigadores encontraron una fuerte correlación entre ambos. Esto proporciona evidencia de que los cambios hemodinámicos pueden influir en las mediciones de la actividad neuronal, haciendo crucial considerar estos efectos en los estudios de imagen.

#Investigando la sensibilidad al contexto

Los investigadores también investigaron cómo el contexto influía en las respuestas de GFP a través de varios comportamientos y condiciones. Encontraron que las respuestas variaban entre diferentes contextos visuomotores. Por ejemplo, las respuestas durante condiciones de circuito cerrado y circuito abierto durante la locomoción diferían, sugiriendo que la naturaleza de la entrada visual afecta cómo responden las neuronas.

En la capa 2/3 de V1, las respuestas fueron similares durante las condiciones de circuito cerrado y abierto, indicando una señal fuertemente relacionada con la locomoción. En contraste, durante condiciones de oscuridad, las respuestas eran más bajas. Esto destaca cómo el contexto visual puede modular las respuestas neuronales y hemodinámicas.

#Análisis de correlación durante la locomoción

Otro aspecto interesante del estudio fue el análisis de correlación de las señales de GFP durante la locomoción. A medida que la locomoción aumentaba, las correlaciones por pares entre las respuestas de neuronas individuales también aumentaban. Este efecto se encontró en diferentes capas de la corteza.

Este hallazgo se alinea con investigaciones previas que sugieren que la actividad neuronal generalmente se decorrela durante el movimiento. Sin embargo, la presencia de señales hemodinámicas parecía crear un resultado diferente, indicando que la dinámica del flujo sanguíneo podría llevar a un aumento en las correlaciones durante la locomoción.

#Comparando imagen de campo amplio e imagen de dos fotones

Para entender mejor el impacto de la hemodinámica, los investigadores compararon sus hallazgos de la imagen de dos fotones con la imagen de campo amplio. Repetieron la imagen de GFP en varias áreas del cerebro y encontraron que las respuestas registradas con la imagen de campo amplio eran paralelas a las de la imagen de dos fotones.

La locomoción y los estímulos visuales generaron fuertes respuestas de GFP de manera similar en ambos métodos de imagen, sugiriendo que los problemas de oclusión hemodinámica afectan a varias técnicas de imagen. La consistencia entre métodos subraya la importancia de considerar los efectos del flujo sanguíneo al interpretar la actividad neuronal.

#Sensores GRAB e influencia hemodinámica

Además del GFP, los investigadores exploraron el uso de sensores GRAB, que detectan neuromoduladores como la dopamina, la serotonina y la acetilcolina. Buscaban determinar si estos sensores también mostraban respuestas similares afectadas por cambios hemodinámicos.

Los resultados mostraron que las respuestas medidas con los sensores GRAB reflejaban las observadas con la imagen de GFP. Sin embargo, la magnitud de estas respuestas era generalmente más baja, lo que dificultaba separar la influencia hemodinámica de las respuestas reales del sensor.

El estudio concluyó que, si bien los sensores GRAB aún pueden proporcionar información valiosa sobre la actividad neuronal, el impacto de la dinámica del flujo sanguíneo es un factor significativo que necesita ser considerado.

#Implicaciones para investigaciones futuras

Los hallazgos de esta investigación proporcionan información crucial sobre la relación entre la actividad neuronal y los cambios hemodinámicos. Los resultados destacan la necesidad de precaución al interpretar datos de imagen óptica, particularmente en casos donde la relación señal-ruido del sensor no es significativamente mayor que los efectos hemodinámicos.

Además, el estudio sugiere que los investigadores deben desarrollar métodos para tener en cuenta estas contribuciones hemodinámicas durante la imagen. Esto puede implicar experimentos separados para cuantificar efectos hemodinámicos o emplear técnicas de imagen avanzadas que puedan capturar simultáneamente tanto la actividad neuronal como la dinámica del flujo sanguíneo.

#Conclusión

En resumen, esta investigación mejora nuestra comprensión de cómo la actividad neuronal interactúa con los cambios en el flujo sanguíneo en el cerebro. Al utilizar técnicas de imagen óptica y caracterizar señales hemodinámicas, los investigadores pueden obtener una comprensión más profunda de cómo funciona el cerebro durante diversos comportamientos. Reconocer el impacto de la dinámica del flujo sanguíneo es clave para interpretar resultados con precisión y avanzar en el campo de la neurociencia.