Los científicos de Caltech han desarrollado una nueva cámara ultrarrápida que puede grabar imágenes de impulsos de señales a medida que viajan a través de las células nerviosas. Crédito: Caltech
Acércate ahora mismo y toca cualquier cosa a tu alrededor. Ya fuera la madera de tu escritorio, una tecla de tu teclado o el pelaje de tu perro, lo sentiste en el instante en que tu dedo lo tocó.
¿O lo hiciste?
En realidad, le toma un poco de tiempo a su cerebro registrar la sensación de la punta de su dedo. Sin embargo, aún sucede extremadamente rápido, con la señal táctil viajando a través de sus nervios a más de 100 millas por hora. De hecho, algunas señales nerviosas son aún más rápidas, acercándose a velocidades de 300 millas por hora.
Los científicos de Caltech acaban de desarrollar una nueva cámara ultrarrápida que puede grabar imágenes de estos impulsos a medida que viajan a través de las células nerviosas. No solo eso, sino que la cámara también puede capturar videos de otros fenómenos increíblemente rápidos, como la propagación de pulsos electromagnéticos en la electrónica.
Conocida como fotografía ultrarrápida comprimida diferencialmente mejorada (Diff-CUP), la tecnología de la cámara se desarrolló en el laboratorio de Lihong Wang. Es profesor Bren de ingeniería médica e ingeniería eléctrica, presidente de liderazgo de ingeniería médica de Andrew y Peggy Cherng y director ejecutivo de ingeniería médica.
Wang Lihong. Crédito: Caltech
Diff-CUP funciona de manera similar a los otros sistemas CUP de Wang, que han demostrado ser capaces de capturar imágenes de pulsos láser mientras viajan a la velocidad de la luz y grabar video a 70 billones de cuadros por segundo.
Comenzando con la misma tecnología de cámara de alta velocidad que se encuentra en los otros sistemas CUP, Diff-CUP la combina con un dispositivo llamado interferómetro Mach-Zehnder. El interferómetro genera imágenes de objetos y materiales dividiendo primero un haz de luz láser en dos, pasando solo uno de los haces divididos a través de un objeto y luego recombinando los haces. Dado que las ondas de luz se ven afectadas por los objetos que atraviesan, y los diferentes materiales las afectan de diversas maneras, el haz que pasa a través del material del que se está formando la imagen tendrá sus ondas desincronizadas con las ondas del otro haz. Cuando los haces se recombinan, las ondas desincronizadas interfieren entre sí (de ahí el “interferómetro”) en patrones que revelan información sobre el objeto que se está fotografiando.
Se pueden ver pulsos eléctricos viajando a diferentes velocidades a través de diferentes neuronas. Crédito: Caltech
Aunque no puede ver un pulso eléctrico que viaja a través de una célula nerviosa con sus propios ojos, o incluso con un microscopio de luz convencional, este tipo de interferometría puede detectarlo. (Por cierto, esta misma técnica básica es utilizada por LIGO para detectar ondas gravitacionales). Entonces, el interferómetro Mach-Zehnder permite obtener imágenes de estos pulsos, y la cámara CUP captura las imágenes a velocidades de cuadro increíblemente altas.
“Ver las señales nerviosas es fundamental para nuestra comprensión científica, pero aún no se ha logrado debido a la falta de velocidad y sensibilidad que ofrecen los métodos de imagen existentes”, dice Wang.
El equipo de investigación de Wang también capturó fotos de la propagación de pulsos electromagnéticos (EMP). En algunos materiales, estos pueden viajar casi a la velocidad de la luz. En este caso, pasaron los pulsos electromagnéticos a través de un cristal de niobato de litio, una sal que tiene propiedades ópticas y eléctricas únicas. A pesar de la velocidad extremadamente alta a la que un EMP atraviesa este material, la cámara pudo captarlo claramente.
“La obtención de imágenes de señales de propagación en los nervios periféricos es el primer paso”, dice Wang. “Sería importante obtener imágenes del tráfico en vivo en un sistema nervioso central, lo que arrojaría luz sobre cómo funciona el cerebro”.
Referencia: “Imagen de fase ultrarrápida e hipersensible de la propagación de flujos de corriente internodal en axones mielinizados y pulsos electromagnéticos en dieléctricos” por Yide Zhang, Binglin Shen, Tong Wu, Jerry Zhao, Joseph C. Jing, Peng Wang, Kanomi Sasaki-Capela, William G Dunphy, David Garrett, Konstantin Maslov, Weiwei Wang y Lihong V. Wang, 6 de septiembre de 2022, The paper describing their findings appeared in the journal Nature Communications on September 6. Co-authors are Yide Zhang, postdoctoral scholar research associate in medical engineering; Binglin Shen, visitor from Shenzhen University; Tong Wu, visitor from Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Jerry Zhao, former graduate student of the USC–Caltech MD-PhD program; Joseph C. Jing, formerly of Caltech and currently at Cepton; Peng Wang, senior postdoctoral scholar research associate in medical engineering; Kanomi Sasaki-Capela, former research technician at Caltech; William G. Dunphy, Grace C. Steele Professor of Biology; David Garrett, graduate student in medical engineering; Konstantin Maslov, former staff scientist at Caltech; and Weiwei Wang of University of Texas Southwestern Medical Center.
Funding for the research was provided by the National Institutes of Health.
