1,1 mm en cerebro vivo: MIT bate todos los récords de penetración sin bisturí

Durante décadas, los neurobiólogos se toparon con el mismo techo: la óptica dibuja con detalle la corteza, pero pierde nitidez en cuanto los rayos se dirigen hacia el hipocampo y las regiones adyacentes. La dificultad aumenta cuando la tarea consiste en observar procesos moleculares dentro de una sola célula sin distorsionar la señal mediante colorantes o marcadores genéticos. Ingenieros y científicos del MIT han desarrollado un sistema que, en la práctica, elimina esta limitación. Combina impulsos de luz ultracortos con lectura acústica y, gracias a ello, penetra en el espesor del tejido a una profundidad inaccesible para los métodos habituales, sin necesidad de modificaciones.

El núcleo de este enfoque es la excitación trifotónica. El láser emite destellos ultracortos en longitudes de onda tres veces mayores que la banda de absorción habitual de la molécula objetivo. Esta elección aporta dos ventajas. En primer lugar, las ondas largas se dispersan menos en un medio heterogéneo, lo que mejora la capacidad de penetración. En segundo lugar, el pico de potencia de un pulso de femtosegundos es enorme, por lo que la probabilidad de absorción simultánea de tres fotones aumenta considerablemente precisamente en el pequeño foco. Como resultado, la excitación se localiza en el punto de enfoque, mientras que las estructuras circundantes permanecen “silenciosas”.

Después entra en juego la física termoelástica. La energía absorbida por las moléculas se convierte principalmente en un calentamiento diminuto pero muy rápido de un microvolumen. El material se expande en una fracción microscópica, generando un salto de presión. Este golpe origina una onda sonora que se propaga desde la fuente como las ondas en el agua, solo que en el rango de ultrasonido. Un receptor sensible en la superficie de la muestra capta la señal, y un módulo de cálculo reconstruye, a partir de los retardos temporales y las amplitudes, una imagen de alto contraste. Este esquema, llamado imagen fotoacústica trifotónica, permite basarse no en la emisión del canal fluorescente, sino en la mecánica del medio, que tolera mucho mejor la dispersión.

El equipo denominó a la plataforma “Multiphoton-In, Acoustic-Out”, subrayando que la “entrada” es óptica multicuántica y la “salida” es sonora. En una sola pasada, el sistema puede detectar marcadores metabólicos sin colorantes, en particular el NAD(P)H, coenzima asociada a las cadenas respiratorias y a la actividad neuronal. El mismo canal detecta otros objetivos si están presentes, por ejemplo, GCaMP, un indicador de calcio que normalmente se usa para marcar la dinámica de la actividad por impulsos. En paralelo, se activa un tercer canal no lineal: la generación de la tercera armónica resalta bordes, membranas e interfaces de medios, obteniéndose así una escena en la que la “geografía” estructural y las “luces” bioquímicas se alinean píxel a píxel.

Las pruebas de campo mostraron que el sistema atraviesa sin problemas muestras densas. Los investigadores iluminaron un organoide cerebral humano derivado de células madre de 1,1 milímetros de espesor y un corte de hemisferio de ratón de 0,7 milímetros. En ambos casos, la imagen se mantuvo nítida y la sensibilidad fue suficiente para detectar NAD(P)H en el interior. El experimento estuvo limitado más por la geometría que por el instrumento: los investigadores se toparon con el vidrio del lado opuesto, ya que las muestras simplemente se acababan. En profundidad, el sistema superó a las técnicas ópticas comunes en más de cinco veces.

La aplicación clínica se perfila de forma natural. Dado que la señal se basa en procesos internos de la célula y no en reactivos introducidos, el mapa de actividad puede actualizarse en tiempo real y guiar al cirujano a través de límites funcionales sin procedimientos de preparación prolongados. Para las investigaciones fundamentales, la perspectiva metabólica también es importante: los niveles de NAD(P)H cambian en la enfermedad de Alzheimer, el síndrome de Rett y las crisis epilépticas, lo que significa que se puede rastrear cómo la patología reconfigura la energía de los conjuntos neuronales en diferentes capas y a distintas distancias de la superficie.

El paso a estudios “en vivo” requerirá otra geometría. Actualmente, las fuentes de luz y el micrófono se colocan en lados opuestos. En un modelo animal, ambos módulos deberán situarse en la misma superficie para reducir al mínimo el acceso y no alterar la fisiología. Los autores creen que, con esta configuración, es posible alcanzar los dos milímetros de profundidad en el cerebro manteniendo el contraste y la velocidad. El principio de funcionamiento ya lo permite: la óptica de onda larga penetra de forma estable y la acústica sale sin problemas por las mismas rutas.

Es interesante que uno de los participantes ya había probado el mapeo metabólico en otro ámbito. En proyectos de tratamiento de heridas, la visualización de NAD(P)H ayudaba a elegir la táctica de intervención según el estado de los tejidos. Ahora, la misma idea se traslada a la neurocirugía y a la neurofisiología de laboratorio, donde la apuesta se centra en la combinación precisa de bioquímica y morfología sin marcadores ni colorantes.

El trabajo contó con el apoyo de los National Institutes of Health, el Simon Center for the Social Brain, el Picower Institute y otros fondos, lo que debería acelerar su desarrollo hacia escenarios prácticos.