Presentamos Zapit: Una Nueva Herramienta para la Optogenética

La Optogenética es una técnica que permite a los científicos controlar neuronas específicas en el cerebro usando luz. Es popular en la investigación sobre neurosciencias porque puede activar o inhibir estas neuronas de manera precisa. Los investigadores pueden observar cómo estos cambios afectan el comportamiento y la actividad cerebral, ayudándoles a aprender más sobre cómo funciona el cerebro.

#Métodos Actuales de Entrega de Luz

Para lograr este control, los científicos entregan luz al cerebro a través de varios métodos. Una forma común es usar cables de fibra óptica, que se pueden implantar en el cerebro para dirigir la luz a áreas específicas. Otro método es implantar una ventana sobre la superficie del cerebro, permitiendo que la luz entre desde arriba. Aunque estos métodos funcionan, pueden limitar el número de lugares donde los investigadores pueden entregar luz debido al tamaño y la posición fija de los implantes.

#Imagen a Través del Cráneo

En animales pequeños como los ratones, el cráneo es lo suficientemente delgado como para que la luz pueda pasar fácilmente. Esto permite visualizar la superficie del cerebro a través del cráneo intacto. Los investigadores también pueden estimular áreas específicas del cerebro con luz sin las limitaciones de las fibras implantadas. Esta flexibilidad abre nuevas posibilidades para experimentos.

#Nuevos Enfoques para la Entrega de Luz

Los científicos han desarrollado varias formas innovadoras de entregar luz a través del cráneo. Un método implica usar una fibra óptica montada en un dispositivo controlado por computadora que puede mover la fuente de luz. Otro enfoque usa un dispositivo digital que puede proyectar patrones de luz sobre la superficie del cerebro, permitiendo a los investigadores activar áreas más grandes de una sola vez. Un tercer método utiliza espejos para dirigir un rayo láser enfocado a ubicaciones específicas. Entre estas opciones, el enfoque basado en espejos es el más eficiente y rentable.

#Falta de Soluciones Accesibles

Aunque algunos grupos de investigación han adoptado la técnica basada en espejos, actualmente no hay soluciones comerciales o de código abierto ampliamente disponibles para implementarla. Los investigadores que quieren usar este método a menudo tienen que construir sus sistemas desde cero, lo que puede llevar tiempo y requiere un buen entendimiento de óptica, hardware y programación.

#Presentando Zapit

En respuesta a esta necesidad, se ha creado un nuevo sistema de código abierto llamado "Zapit". Zapit combina un diseño de hardware compacto con herramientas de software fáciles de usar para controlar la entrega de luz. Este sistema está diseñado para ser asequible y accesible para los investigadores, costando alrededor de 15,000 GBP para un equipo completo. Zapit permite la fotostimulación dirigida en el cerebro durante experimentos de comportamiento.

#Principio de Funcionamiento de Zapit

Zapit está diseñado para la fotostimulación de la superficie dorsal del cerebro del ratón. El hardware se ha construido utilizando piezas estándar, lo que facilita a los grupos de investigación sin equipo especializado construir sus sistemas. El componente clave es un láser que pasa a través de un escáner y se dirige al cerebro utilizando espejos y lentes. El escáner se mueve rápidamente, permitiendo una precisión en la dirección de diferentes áreas del cerebro sin causar ruido mecánico.

#Resumen del Sistema Zapit

El sistema Zapit consiste en varias partes. Primero, hay un esquema que muestra cómo se dirige el rayo láser al cerebro. Segundo, hay un envoltorio personalizado que mantiene el sistema compacto y reduce el ruido. Tercero, hay una interfaz de usuario que facilita a los investigadores operar el sistema y realizar pruebas. Finalmente, el sistema se puede integrar en experimentos de comportamiento utilizando varios lenguajes de programación.

#Proceso de Calibración

Calibrar el sistema Zapit implica dos pasos. Primero, los investigadores alinean el rayo láser con la imagen de la cámara. Esto se hace escaneando el rayo sobre una cuadrícula de puntos y corrigiendo cualquier error. El segundo paso es mapear las ubicaciones del cerebro objetivo utilizando referencias en el cráneo. Este proceso es rápido y permite que el sistema apunte con precisión a áreas específicas dentro del cerebro.

#Definiendo Ubicaciones de Estímulo

Los investigadores pueden definir las ubicaciones a estimular en un formato legible por humanos. Estas coordenadas se basan en un atlas cerebral común, lo que facilita la referencia. Usando el software, pueden crear y modificar patrones de estimulación haciendo clic en una representación visual del cerebro.

#Ejecutando Experimentos con Zapit

Una vez que todo está configurado, los investigadores pueden realizar experimentos utilizando diferentes protocolos de estimulación. Por ejemplo, pueden estimular uno o más puntos en el cerebro de manera secuencial. El sistema permite un control y una temporalización precisos de la estimulación, permitiendo a los investigadores explorar cómo diferentes áreas del cerebro interactúan durante el comportamiento.

#Precisión en la Posición del Rayo

Al estimular múltiples puntos, es esencial apagar el láser mientras se mueve entre ubicaciones para evitar estimulación no intencionada. Se establece un tiempo de movimiento fijo para minimizar el sonido durante los experimentos. Este diseño asegura que el sistema siga siendo fiable en los ensayos, mejorando la precisión de la estimulación.

#Verificación del Rendimiento de Zapit

Para probar la efectividad de Zapit, los investigadores realizaron experimentos donde estimularon áreas específicas del cerebro mientras los ratones realizaban tareas. Un experimento involucró sesgar elecciones motoras estimulando una región del cerebro responsable de la planificación motora. Los resultados mostraron que la perturbación optogenética influenciaba las decisiones de los ratones, confirmando la funcionalidad del sistema.

#Estimulación Bilateral en Tareas Visuales

Los investigadores también probaron Zapit aplicando luz a ambos lados del cerebro durante una tarea visual. Los ratones debían detectar cambios en un estímulo visual en movimiento. Cuando los investigadores estimularon la corteza visual primaria, los ratones mostraron dificultades notables para detectar estos cambios, demostrando que Zapit puede manipular eficazmente la actividad cerebral en múltiples áreas a la vez.

#Una Solución Completa y Lista para Usar

Zapit ha sido diseñado para ser una solución accesible y sencilla para los investigadores. El hardware se puede construir con componentes comunes, mientras que el software está organizado y bien documentado. El sistema cuenta con el apoyo de una comunidad creciente de usuarios que continúan perfeccionando y mejorando sus funciones.

#Comparación con Otros Métodos

Si bien hay otros sistemas para entregar luz al cerebro, Zapit presenta una opción rentable y compacta. Otras tecnologías, como dispositivos digitales y moduladores de luz espacial, pueden cubrir áreas más grandes pero tienden a ser más caras y menos eficientes en el uso de luz. Zapit es especialmente adecuado para experimentos que solo requieren entregas de luz pequeñas y dirigidas.

#Consideraciones Experimentales

Al usar Zapit, los investigadores necesitan preparar adecuadamente el cráneo del ratón para asegurar una entrega efectiva de luz. Se aplica una capa delgada de adhesivo transparente para limpiar la superficie del cráneo. Es crucial elegir configuraciones de potencia de luz apropiadas, ya que diferentes niveles pueden tener efectos conductuales variados. Los investigadores también deben enmascarar el láser para evitar que los ratones vean la luz, lo que podría influir en su comportamiento.

#Normas de Reporte para Usuarios de Zapit

Para asegurar experimentos consistentes y replicables, los usuarios de Zapit deben reportar parámetros clave como la potencia de luz, la frecuencia de estimulación y el número de sitios de estimulación. Tener prácticas estandarizadas ayudará a otros a entender y comparar hallazgos entre estudios.

#Planes Futuros para Zapit

El equipo de Zapit planea seguir mejorando el sistema validando sus funciones y ampliando sus características. Las mejoras futuras pueden incluir sistemas de retroalimentación en tiempo real, herramientas de reubicación de cabeza más accesibles y mejoras para la imagen y estimulación simultáneas.

#Conclusión

Zapit es una herramienta prometedora para investigadores interesados en comprender la actividad cerebral a través de la estimulación optogenética dirigida. Al ofrecer una solución accesible, eficiente y efectiva, Zapit busca avanzar la investigación en neurociencias y fomentar nuevos descubrimientos sobre cómo funciona el cerebro.