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Mapeo de conexiones neuronales que subyacen en el comportamiento
Mapeo de conexiones neuronales que subyacen en el comportamiento...

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Mapeo de conexiones neuronales que subyacen en el comportamiento.

Las moléculas optogenéticas de última generación controlan neuronas individuales
El rayo láser enfocado podría ayudar a los científicos a mapear las conexiones entre las neuronas que subyacen en el comportamiento.

Investigadores del MIT y la Universidad de París Descartes han desarrollado una nueva técnica optogenética que esculpe la luz para apuntar a células individuales que llevan moléculas sensibles a la luz diseñadas para que las neuronas individuales puedan ser estimuladas con precisión.

Hasta ahora, ha sido un desafío utilizar la optogenética para apuntar a células individuales con un control tan preciso sobre el tiempo y la ubicación de la activación. Este nuevo avance allana el camino para estudios sobre cómo las células individuales y las conexiones entre esas células generan comportamientos específicos, como iniciar un movimiento o aprender una nueva habilidad.

"Idealmente, lo que te gustaría hacer es tocar el cerebro como un piano. Deberías controlar las neuronas de forma independiente, en lugar de hacer que todas marchen al mismo ritmo que la optogenética tradicional, pero que normalmente el cerebro no hace", dice. Ed Boyden, profesor asociado de ciencias del cerebro y ciencias cognitivas e ingeniería biológica en el MIT, y miembro del Media Lab del MIT y del Instituto McGovern para la investigación del cerebro.

La nueva técnica se basa en un nuevo tipo de proteína sensible a la luz que puede integrarse en los cuerpos de las células neuronales, combinada con una forma de luz holográfica que puede enfocar la luz en una sola célula.

Boyden y Valentina Emiliani, directora de investigación del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS) y directora del Laboratorio de Neurofotónica de la Universidad Paris Descartes, son los autores principales del estudio, que aparece en la edición del 13 de noviembre de Nature Neuroscience. Los autores principales son postdoctorado del MIT Postmes O Shemesh y CNRS Dimitrii Tanese y Valeria Zampini.

Control preciso

Hace más de 10 años, Boyden y sus colaboradores fueron pioneros en el uso de proteínas sensibles a la luz conocidas como opsinas microbianas para manipular la actividad eléctrica de las neuronas. Estas opsinas pueden integrarse en las membranas de las neuronas, y cuando están expuestas a ciertas longitudes de onda de luz, silencian o estimulan las células.

Durante la última década, los científicos han utilizado esta técnica para estudiar cómo se comportan las poblaciones de neuronas durante las tareas cerebrales, como recordar la memoria o la formación de hábito. Tradicionalmente, muchas células son atacadas simultáneamente porque la luz que brilla en el cerebro golpea un área relativamente grande. Sin embargo, como señala Boyden, las neuronas pueden tener diferentes funciones incluso cuando están cerca unas de otras.

"Dos células adyacentes pueden tener códigos neuronales completamente diferentes. Pueden hacer cosas completamente diferentes, responder a estímulos diferentes y jugar diferentes patrones de actividad durante diferentes tareas", dice.

Para lograr el control independiente de las células individuales, los investigadores combinaron dos nuevos avances: una opsina localizada y más potente y un microscopio holográfico optimizado de formación de luz.

Para el opsin, los investigadores usaron una proteína llamada CoChR, que el laboratorio de Boyden descubrió en 2014. Eligieron esta molécula porque genera una corriente eléctrica muy fuerte en respuesta a la luz (unas 10 veces más fuerte que la producida por channelrhodopsin-2, primera proteína utilizada para optogenética).

Se fusionó CoChR a una pequeña proteína que dirige la opsina en los cuerpos celulares de las neuronas y lejos de los axones y las dendritas, que se extienden desde el cuerpo de la neurona. Esto ayuda a prevenir la diafonía entre las neuronas, ya que la luz que activa una neurona también puede afectar axones y dendritas de otras neuronas que se entrelazan con la neurona objetivo.

Boyden luego trabajó con Emiliani para combinar este enfoque con una técnica de estimulación de la luz que ella había desarrollado previamente, conocida como holografía generada por computadora de dos fotones (CGH). Esto se puede usar para crear esculturas tridimensionales de luz que envuelven una celda objetivo.

La holografía tradicional se basa en reproducir, con luz, la forma de un objeto específico, en ausencia de ese objeto original. Esto se logra mediante la creación de un "interferograma" que contiene la información necesaria para reconstruir un objeto que previamente había sido iluminado por un haz de referencia. En la holografía generada por computadora, el interferograma es calculado por una computadora sin la necesidad de ningún objeto original. Hace años, el grupo de investigación de Emiliani demostró que, combinado con la excitación de dos fotones, CGH se puede utilizar para reenfocar la luz del láser para iluminar con precisión una célula o un grupo definido de células en el cerebro.

En el nuevo estudio, al combinar este enfoque con nuevas opsinas que se agrupan en el cuerpo celular, los investigadores demostraron que podían estimular neuronas individuales no solo con un control espacial preciso sino también con un gran control sobre el momento de la estimulación. Cuando se dirigen a una neurona específica, responden constantemente cada vez, con una variabilidad de menos de un milisegundo, incluso cuando la célula se estimula muchas veces seguidas.

"Por primera vez, podemos llevar la precisión del control de una sola célula hacia las escalas de tiempo naturales de la computación neuronal", dice Boyden.

Mapeo de conexiones

Usando esta técnica, los investigadores fueron capaces de estimular neuronas individuales en las rebanadas de cerebro y luego medir las respuestas de las células que están conectadas a esa célula. Esto allana el camino para una posible diagramación de las conexiones del cerebro y analiza cómo esas conexiones cambian en tiempo real a medida que el cerebro realiza una tarea o aprende una nueva habilidad.

Un posible experimento, dice Boyden, sería estimular las neuronas conectadas entre sí para tratar de averiguar si uno está controlando a los demás o si todos están recibiendo información de un controlador lejano.

"Es una pregunta abierta", dice. "¿Se está impulsando una función determinada desde lejos o hay un circuito local que gobierna la dinámica y especifica la cadena de mando exacta dentro de un circuito? Si puedes atrapar esa cadena de mando en acción y luego usar esta tecnología para demostrar que eso es en realidad un vínculo causal de los eventos, que podría ayudarlo a explicar cómo ocurre una sensación, movimiento o decisión ".

Como un paso hacia ese tipo de estudio, los investigadores ahora planean extender este enfoque a los animales vivos. También están trabajando para mejorar sus moléculas objetivo y desarrollar opsinas de alta corriente que pueden silenciar la actividad de las neuronas.


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