Bela ilustração... Mas o que ela SIGNIFICA?
Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring 2010
Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring 2010
Jin Hyung Lee, Remy Durand, Viviana Gradinaru, Feng Zhang, Inbal Goshen, Dae-Shik Kim, Lief E. Fenno, Charu Ramakrishnan & Karl Deisseroth
Vol 465 10 June 2010 doi:10.1038/nature09108
Abstract. A despeito de uma literatura rapidamente crescente sobre a imagem cerebral clínica e científica baseada em imagem por ressonância magnética funcional (fMRI) que utiliza sinais BOLD (blood oxygenation level-dependent - que dependem do nível de oxigenação do sangue), permanece controverso se os sinais BOLD de uma região em particular podem ser causados pela ativação de neurônios excitatórios locais. Essa difícil questão é importante para a interpretação e utilidade do Bold, que tem grande importância para os estudos de fMRI de pesquisa básica e de aplicações clínicas. Utilizando uma nova tecnologia integrada que unifica o controle optogenético de inputs com leituras do sinal high-field de fMRI, demonstramos aqui que a estimulação específica de neurônios excitatórios que expressam CaMKIIa, seja no neurocórtex ou no tálamo, produz sinais BOLD positivos no local de estímulo com cinética clássica. Também demonstramos que a fMRI optogenética (ofMRI) permite a visualização dos efeitos causais de tipos específicos de células definidos não só pela identidade genética e localização do corpo celular mas também pelo alvo da projeção axonal. Finalmente, demonstramos que a ofMRI no interior do cérebro vivo e intacto de mamíferos revela sinais BOLD em alvos em pontos subsequentes das vias, distantes do estímulo, indicando que essa abordagem pode ser usada para mapear os efeitos globais do controle de uma população celular local. A esse respeito, à diferença tanto dos estudos convencionais de fMRI baseados em correlações e de fMRI com estimulação elétrica que também afetarão axônios aferentes e próximos, esta abordagem de ofMRI fornece informações causais sobre os circuitos globais recrutados por padrões de atividade neuronal local definida. Em conjunto, esses achados fornecem um fundamento empírico para o largamente utilizado sinal BOLD de fMRI, e osaspectos da ofMRI definem uma potente ferramenta que pode ser conveniente para a análise de circuito funcional, assim como para a elaboração do fenótipo global do circuito disfuncional.
Para os leigos, a explicação das informações contidas nesse abstract pode ser vista no artigo What does that MRI signal MEAN, anyway? - que dá nome à nossa postagem.
Geralmente as postagens do blog Neurotopia (fonte desse artigo) rendem comentários de alto nível, sendo esta uma das vantagens de abordar os assuntos levantados apenas depois de uns dois ou três dias de postagem - se estiver interessada(o) nesse assunto, leia o artigo juntamente com os comentários.
Scicurious, a participante do Neurotopia que postou nosso assunto de hoje, explica o que é uma fMRI BOLD, mas introduz um caveat: ficamos sabendo que existe atividade na área examinada porque o sangue, e seu oxigênio, converge para ela, mas pergunta o que isso SIGNIFICA. Já que existem grupos de neurônios excitadores, inibidores e moduladores no cérebro, ela pergunta: "Você tem atividade em uma área ao desempenhar uma tarefa, mas será uma atividade excitadora? Ou será uma atividade inibidora que está impedindo outra coisa e não permite excitação? Ou será ainda mais complicado do que isso? Os cientistas não sabem. Tudo o que podem dizer de uma certa área do cérebro que produz um sinal BOLD em resposta a uma dada tarefa é que ela está 'ativada'. Não podem dizer DE QUE MODO."
Nesse ponto entra a optogenética para esclarecer o assunto. Funciona assim: "Existem certos canais nas células (as que nos interessam aqui são de algas verdes) que podem reagir à luz. São chamadas channelrhodopsins. Quando são atingidas pela luz de um comprimento de onda específico (no caso desse estudo, 473 nm - que é azul), os canais se abrirão e os íons se moverão para dentro e para fora. No caso de alguns desses canais, o entra-e-sai dos íons fará com que a célula onde está esse canal dispare".
Aqui a coisa se complica, no bom sentido. Diz Scicurious: "Há alguns anos, Karl Deisseroth descobriu que v. pode pegar o gene que codifica esse canal que responde à luz e colocá-lo em um vírus. Depois, pode utilizar uma infecção viral cuidadosamente dirigida para infectar uma área local de neurônios com o vírus, implantando o canal nas células). Adivinha o que aconteceu? (CLM - veja as figuras do artigo no Neurotopia). Legal, não é mesmo? Na parte superior v. pode ver os vírus colocados no córtex motor primário de um rato. Quando v. o estimula com luz, as células que agora reagem à luz DISPARAM em resposta. Quando v. instala isso no córtex motor, v. tem uma reação motora, como no vídeo (CLM - veja o pequeno vídeo do ratinho)."
No vídeo, "Você pode ver um rato que tem em seu córtex motor uma infecção mediada por vírus nos canais que respondem à luz. Ele está apenas cheirando por aqui e por ali, mas assim que recebe um jato de luz azul (que v. pode ver), começa a correr, porque seu córtex foi ativado".
Prossegue Scicurious: "Esta técnica é chamada de optogenética, e já é a próxima sensação. Utilizando a optogenética, pode-se estimular partes bem específicas do cérebro utilizando luz, e ver o que acontece. Pode-se também ligar esses canais que reagem à luz a receptores bem específicos, e observar o que acontece quando APENAS esses receptores de áreas específicas do cérebro são ativados".
Vou parar por aqui: as coisas já estão bem explicadas. Mas ainda há muito mais nos artigos de Lee et al. e do Neurotopia (não esqueça os Comentários).
Alguns artigos de interesse:
Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons
Antoine R. Adamantidis, Feng Zhang, Alexander M. Aravanis2, Karl Deisseroth & Luis de Lecea 2007
Integration of light-controlled neuronal firing and fast circuit imaging
Raag D Airan, Elbert S Hu, Ragu Vijaykumar, Madhuri Roy, Leslie A Meltzer and Karl Deisseroth 2007
An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology
Alexander M Aravanis, Li-PingWang, Feng Zhang, Leslie A Meltzer, MurtazaZMogri, M Bret Schneider & Karl Deisseroth 2007
In Vivo Light-Induced Activation of Neural Circuitry in Transgenic Mice Expressing Channelrhodopsin-2
Benjamin R. Arenkiel, Joao Peca, Ian G. Davison, Catia Feliciano, Karl Deisseroth,
George J. Augustine, Michael D. Ehlers, & Guoping Feng 2007
Bi-stable neural state switches 2008
André Berndt, Ofer Yizhar, Lisa A Gunaydin, Peter Hegemann & Karl Deisseroth
Figuras e mais Explicações da Optogenética
Phasic Firing in Dopaminergic Neurons Is Sufficient for Behavioral Conditioning
Hsing-Chen Tsai, Feng Zhang, Antoine Adamantidis, Garret D. Stuber, Antonello Bonci, Luis de Lecea, Karl Deisseroth 2009
High-speed mapping of synaptic connectivity using photostimulation in Channelrhodopsin-2 transgenic mice
H. Wang, J. Peca, M. Matsuzaki, K. Matsuzaki, J. Noguchi, L. Qiu, D. Wang, F. Zhang, E. Boyden, K. Deisseroth, H. Kasai, W. C. Hall, G. Feng, & G. J. Augustine 2007
Red-shifted optogenetic excitation: a tool for fast neural control derived from Volvox carteri
Feng Zhang, Matthias Prigge, Florent Beyrière, Satoshi P Tsunoda, Joanna Mattis, Ofer Yizhar, Peter Hegemann & Karl Deisseroth 2008
Targeted optogenetic stimulation and recording of neurons in vivo using cell-type-specific expression of Channelrhodopsin-2
Jessica A Cardin, Marie Carlén, Konstantinos Meletis, Ulf Knoblich, Feng Zhang, Karl Deisseroth, Li-Huei Tsai & Christopher I Moore 2010
Ultrafast optogenetic control 2010
Lisa A Gunaydin, Ofer Yizhar, André Berndt, Vikaas S Sohal, Karl Deisseroth & Peter Hegemann
Optogenetics Illuminates Brain Function
Bridget M. Kuehn (JAMA) 2010
Optogenetic control of epileptiform activity 2009
Jan Tønnesena, Andreas T. Sørensena, Karl Deisserothb, Cecilia Lundbergc, and Merab Kokaiaa
Integrated device for optical stimulation and spatiotemporal electrical recording of neural activity in light-sensitized brain tissue 2009
Jiayi Zhang, Farah Laiwalla, Jennifer A Kim, Hayato Urabe, Rick VanWagenen, Yoon-Kyu Song, BarryWConnors, Feng Zhang, Karl Deisseroth and Arto V Nurmikko
Os leitores mais atentos já repararam que todos esses artigos vêm do mesmo local: http://www.stanford.edu/group/dlab/papers/, onde há muitos e muitos outros textos.
Vol 465 10 June 2010 doi:10.1038/nature09108
Abstract. A despeito de uma literatura rapidamente crescente sobre a imagem cerebral clínica e científica baseada em imagem por ressonância magnética funcional (fMRI) que utiliza sinais BOLD (blood oxygenation level-dependent - que dependem do nível de oxigenação do sangue), permanece controverso se os sinais BOLD de uma região em particular podem ser causados pela ativação de neurônios excitatórios locais. Essa difícil questão é importante para a interpretação e utilidade do Bold, que tem grande importância para os estudos de fMRI de pesquisa básica e de aplicações clínicas. Utilizando uma nova tecnologia integrada que unifica o controle optogenético de inputs com leituras do sinal high-field de fMRI, demonstramos aqui que a estimulação específica de neurônios excitatórios que expressam CaMKIIa, seja no neurocórtex ou no tálamo, produz sinais BOLD positivos no local de estímulo com cinética clássica. Também demonstramos que a fMRI optogenética (ofMRI) permite a visualização dos efeitos causais de tipos específicos de células definidos não só pela identidade genética e localização do corpo celular mas também pelo alvo da projeção axonal. Finalmente, demonstramos que a ofMRI no interior do cérebro vivo e intacto de mamíferos revela sinais BOLD em alvos em pontos subsequentes das vias, distantes do estímulo, indicando que essa abordagem pode ser usada para mapear os efeitos globais do controle de uma população celular local. A esse respeito, à diferença tanto dos estudos convencionais de fMRI baseados em correlações e de fMRI com estimulação elétrica que também afetarão axônios aferentes e próximos, esta abordagem de ofMRI fornece informações causais sobre os circuitos globais recrutados por padrões de atividade neuronal local definida. Em conjunto, esses achados fornecem um fundamento empírico para o largamente utilizado sinal BOLD de fMRI, e osaspectos da ofMRI definem uma potente ferramenta que pode ser conveniente para a análise de circuito funcional, assim como para a elaboração do fenótipo global do circuito disfuncional.
Para os leigos, a explicação das informações contidas nesse abstract pode ser vista no artigo What does that MRI signal MEAN, anyway? - que dá nome à nossa postagem.
Geralmente as postagens do blog Neurotopia (fonte desse artigo) rendem comentários de alto nível, sendo esta uma das vantagens de abordar os assuntos levantados apenas depois de uns dois ou três dias de postagem - se estiver interessada(o) nesse assunto, leia o artigo juntamente com os comentários.
Scicurious, a participante do Neurotopia que postou nosso assunto de hoje, explica o que é uma fMRI BOLD, mas introduz um caveat: ficamos sabendo que existe atividade na área examinada porque o sangue, e seu oxigênio, converge para ela, mas pergunta o que isso SIGNIFICA. Já que existem grupos de neurônios excitadores, inibidores e moduladores no cérebro, ela pergunta: "Você tem atividade em uma área ao desempenhar uma tarefa, mas será uma atividade excitadora? Ou será uma atividade inibidora que está impedindo outra coisa e não permite excitação? Ou será ainda mais complicado do que isso? Os cientistas não sabem. Tudo o que podem dizer de uma certa área do cérebro que produz um sinal BOLD em resposta a uma dada tarefa é que ela está 'ativada'. Não podem dizer DE QUE MODO."
Nesse ponto entra a optogenética para esclarecer o assunto. Funciona assim: "Existem certos canais nas células (as que nos interessam aqui são de algas verdes) que podem reagir à luz. São chamadas channelrhodopsins. Quando são atingidas pela luz de um comprimento de onda específico (no caso desse estudo, 473 nm - que é azul), os canais se abrirão e os íons se moverão para dentro e para fora. No caso de alguns desses canais, o entra-e-sai dos íons fará com que a célula onde está esse canal dispare".
Aqui a coisa se complica, no bom sentido. Diz Scicurious: "Há alguns anos, Karl Deisseroth descobriu que v. pode pegar o gene que codifica esse canal que responde à luz e colocá-lo em um vírus. Depois, pode utilizar uma infecção viral cuidadosamente dirigida para infectar uma área local de neurônios com o vírus, implantando o canal nas células). Adivinha o que aconteceu? (CLM - veja as figuras do artigo no Neurotopia). Legal, não é mesmo? Na parte superior v. pode ver os vírus colocados no córtex motor primário de um rato. Quando v. o estimula com luz, as células que agora reagem à luz DISPARAM em resposta. Quando v. instala isso no córtex motor, v. tem uma reação motora, como no vídeo (CLM - veja o pequeno vídeo do ratinho)."
No vídeo, "Você pode ver um rato que tem em seu córtex motor uma infecção mediada por vírus nos canais que respondem à luz. Ele está apenas cheirando por aqui e por ali, mas assim que recebe um jato de luz azul (que v. pode ver), começa a correr, porque seu córtex foi ativado".
Prossegue Scicurious: "Esta técnica é chamada de optogenética, e já é a próxima sensação. Utilizando a optogenética, pode-se estimular partes bem específicas do cérebro utilizando luz, e ver o que acontece. Pode-se também ligar esses canais que reagem à luz a receptores bem específicos, e observar o que acontece quando APENAS esses receptores de áreas específicas do cérebro são ativados".
Vou parar por aqui: as coisas já estão bem explicadas. Mas ainda há muito mais nos artigos de Lee et al. e do Neurotopia (não esqueça os Comentários).
Alguns artigos de interesse:
Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons
Antoine R. Adamantidis, Feng Zhang, Alexander M. Aravanis2, Karl Deisseroth & Luis de Lecea 2007
Integration of light-controlled neuronal firing and fast circuit imaging
Raag D Airan, Elbert S Hu, Ragu Vijaykumar, Madhuri Roy, Leslie A Meltzer and Karl Deisseroth 2007
An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology
Alexander M Aravanis, Li-PingWang, Feng Zhang, Leslie A Meltzer, MurtazaZMogri, M Bret Schneider & Karl Deisseroth 2007
In Vivo Light-Induced Activation of Neural Circuitry in Transgenic Mice Expressing Channelrhodopsin-2
Benjamin R. Arenkiel, Joao Peca, Ian G. Davison, Catia Feliciano, Karl Deisseroth,
George J. Augustine, Michael D. Ehlers, & Guoping Feng 2007
Bi-stable neural state switches 2008
André Berndt, Ofer Yizhar, Lisa A Gunaydin, Peter Hegemann & Karl Deisseroth
Figuras e mais Explicações da Optogenética
Phasic Firing in Dopaminergic Neurons Is Sufficient for Behavioral Conditioning
Hsing-Chen Tsai, Feng Zhang, Antoine Adamantidis, Garret D. Stuber, Antonello Bonci, Luis de Lecea, Karl Deisseroth 2009
High-speed mapping of synaptic connectivity using photostimulation in Channelrhodopsin-2 transgenic mice
H. Wang, J. Peca, M. Matsuzaki, K. Matsuzaki, J. Noguchi, L. Qiu, D. Wang, F. Zhang, E. Boyden, K. Deisseroth, H. Kasai, W. C. Hall, G. Feng, & G. J. Augustine 2007
Red-shifted optogenetic excitation: a tool for fast neural control derived from Volvox carteri
Feng Zhang, Matthias Prigge, Florent Beyrière, Satoshi P Tsunoda, Joanna Mattis, Ofer Yizhar, Peter Hegemann & Karl Deisseroth 2008
Targeted optogenetic stimulation and recording of neurons in vivo using cell-type-specific expression of Channelrhodopsin-2
Jessica A Cardin, Marie Carlén, Konstantinos Meletis, Ulf Knoblich, Feng Zhang, Karl Deisseroth, Li-Huei Tsai & Christopher I Moore 2010
Ultrafast optogenetic control 2010
Lisa A Gunaydin, Ofer Yizhar, André Berndt, Vikaas S Sohal, Karl Deisseroth & Peter Hegemann
Optogenetics Illuminates Brain Function
Bridget M. Kuehn (JAMA) 2010
Optogenetic control of epileptiform activity 2009
Jan Tønnesena, Andreas T. Sørensena, Karl Deisserothb, Cecilia Lundbergc, and Merab Kokaiaa
Integrated device for optical stimulation and spatiotemporal electrical recording of neural activity in light-sensitized brain tissue 2009
Jiayi Zhang, Farah Laiwalla, Jennifer A Kim, Hayato Urabe, Rick VanWagenen, Yoon-Kyu Song, BarryWConnors, Feng Zhang, Karl Deisseroth and Arto V Nurmikko
Os leitores mais atentos já repararam que todos esses artigos vêm do mesmo local: http://www.stanford.edu/group/dlab/papers/, onde há muitos e muitos outros textos.
