WHOLISTIC abre una ventana a la comunicación celular de todo un organismo

La fisiología no funciona por compartimentos: la actividad nerviosa, la circulación, la digestión y las respuestas sensoriales pueden cambiar de forma coordinada. Sin embargo, muchas técnicas de imagen en animales vivos solo permiten mirar un tejido o un órgano cada vez.

WHOLISTIC —siglas en inglés de WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity— busca resolver esa limitación en larvas transparentes de pez cebra (Danio rerio). El sistema combina imagen fluorescente rápida en 3D, sensores de calcio codificados genéticamente y análisis computacional para registrar dinámicas celulares variables en el tiempo a escala de segundos en gran parte del organismo. 2

Cómo funciona WHOLISTIC

El punto de partida son larvas de pez cebra, cuya transparencia facilita observar ópticamente los tejidos internos. Los animales expresan de forma amplia sensores de calcio: los cambios de fluorescencia actúan como una lectura indirecta de la dinámica del calcio intracelular.

Esta señal es útil para seguir cambios en el estado de las células, pero conviene precisar su alcance: no mide de forma directa las conexiones sinápticas ni demuestra por sí sola que una célula haya provocado la respuesta de otra. 2

El avance de WHOLISTIC consiste en integrar tres elementos:

• Microscopía de fluorescencia volumétrica, que captura repetidamente una vista tridimensional del animal, en vez de limitarse a un único plano. 2
• Marcaje de calcio en muchas células, que permite observar actividad en distintos tipos celulares y sistemas de órganos, no únicamente en neuronas. 2
• Procesamiento computacional y aprendizaje automático, empleados para identificar estructuras celulares activas y organizar los enormes registros obtenidos en patrones que puedan interpretarse. 2

El resultado es una forma de registrar en tiempo real dinámicas celulares distribuidas por el cuerpo. Más que ofrecer de entrada un mapa causal completo, la técnica permite ver posibles vínculos entre órganos dentro del mismo experimento. 2

Lo que reveló la imagen de cuerpo entero

Falta de oxígeno y redistribución del flujo sanguíneo

En condiciones de bajo oxígeno, WHOLISTIC detectó actividad coordinada asociada a cambios circulatorios, incluida una redistribución del flujo sanguíneo. La galería de Janelia muestra una reducción del flujo en la región mesentérica durante la hipoxia, junto con un aumento del flujo hacia el cerebro y el corazón. 8

Este tipo de observación permite relacionar respuestas nerviosas y cardiovasculares en una misma preparación. Es coherente con una respuesta coordinada que prioriza el suministro de oxígeno a órganos vitales, aunque el circuito causal preciso deberá comprobarse mediante experimentos dirigidos. 28

Dinámica de la médula espinal y células ependimarias

La plataforma también identificó dinámicas coordinadas en la médula espinal y en células ependimarias, que recubren el sistema ventricular. Estas observaciones amplían la mirada más allá de los mapas centrados exclusivamente en neuronas. 2

La actividad de las células ependimarias vinculada a determinados estados puede ser relevante para procesos fisiológicos asociados al sueño, pero las correlaciones de calcio no bastan para demostrar una función en el sueño. WHOLISTIC sirve para identificar candidatos de este tipo en varios tejidos y, después, someterlos a pruebas de perturbación más selectivas. 2

Efectos de la ketamina a ambos lados de una frontera tisular

Las respuestas a un fármaco pueden repartirse entre diversos tipos celulares y compartimentos anatómicos. Con WHOLISTIC, los investigadores analizaron la exposición aguda a ketamina y observaron efectos que involucraban tanto tejido nervioso como las meninges, las membranas que envuelven el sistema nervioso central. 2

El resultado ilustra la utilidad práctica de mirar el organismo de forma amplia: una medición centrada solo en neuronas podría pasar por alto respuestas en tejidos vecinos no neuronales. 2

Células asociadas al cartílago sensibles al frío

Los experimentos de enfriamiento revelaron respuestas de calcio en células asociadas al cartílago. La observación sugiere que la actividad vinculada a la temperatura no se limita al sistema nervioso y muestra cómo la imagen celular amplia puede descubrir posibles funciones sensoriales inesperadas en tejidos no neuronales. 2

Por qué importa esta técnica

WHOLISTIC extiende al resto del cuerpo la lógica de la imagen de cerebro completo en pez cebra. Esta última ya había demostrado que un vertebrado transparente puede permitir registros a gran escala de actividad neural; el nuevo enfoque incorpora simultáneamente múltiples sistemas de órganos y tipos celulares. 52

Esto resulta especialmente valioso para preguntas biológicas que atraviesan sistemas: cómo el cerebro coordina la circulación ante el estrés, cómo un medicamento afecta tejidos neuronales y no neuronales, o cómo se representan señales sensoriales fuera de las vías nerviosas tradicionales.

La fortaleza de la técnica no es afirmar que ya explica todas las causas, sino construir un mapa de actividad de todo el cuerpo que señale relaciones dignas de ser comprobadas. 2

Una línea de imagen abierta y ampliable

Janelia presenta este trabajo como un recurso basado en microscopía avanzada y análisis computacional; su sitio de WHOLISTIC incluye visualizaciones como la redistribución circulatoria inducida por hipoxia. 28

El enfoque también podría ser útil más allá de las larvas de pez cebra. Danionella es un modelo prometedor porque sigue siendo muy pequeño en la edad adulta, lo que permite registrar actividad de todo el cerebro ya desarrollado y estudiar repertorios conductuales más complejos. Por separado, Janelia informa de que su flujo de microscopía de expansión de cuerpo entero funciona con muestras maduras de Danionella. 114

La cautela principal sigue siendo esencial: la imagen de calcio revela dinámicas celulares correlacionadas. Por sí sola, no establece conectividad directa, no identifica todos los mecanismos moleculares ni prueba causalidad. Su gran aportación es hacer observables hipótesis que conectan órganos a una escala antes difícil de alcanzar en un vertebrado vivo. 2