Investigadores de Estados Unidos han desarrollado un nuevo método para controlar los circuitos cerebrales asociados a comportamientos animales complejos, utilizando la ingeniería genética para crear una proteína magnetizada que activa a distancia grupos específicos de células nerviosas.

Entender cómo el cerebro genera un comportamiento es uno de los objetivos últimos de la neurociencia, y una de sus cuestiones más difíciles. En los últimos años, los investigadores han desarrollado una serie de métodos que permiten controlar a distancia grupos específicos de neuronas y sondear el funcionamiento de los circuitos neuronales.

El más potente de ellos es un método llamado optogenética, que permite a los investigadores activar o desactivar poblaciones de neuronas emparentadas en una escala de tiempo de milisegundo en milisegundo con láser de pulsos de luz. Otro método desarrollado recientemente, denominado quimiogenética, utiliza proteínas modificadas que se activan mediante medicamentos de síntesis y pueden dirigirse a tipos de células específicas.

Aunque son potentes, ambos métodos presentan inconvenientes. La optogenética es invasiva, pues requiere la inserción de fibras ópticas que emiten impulsos luminosos en el cerebro, y además, la extensión en la cual la luz penetra en el tejido cerebral denso es muy limitada. Los enfoques quimiogenéticos superan estas dos limitaciones, pero inducen generalmente reacciones bioquímicas que tardan varios segundos en activar las células nerviosas.

La nueva técnica, desarrollada en el laboratorio de Ali Güler en la Universidad de Virginia en Charlottesville, y descrita en una publicación online previa en la revista Nature Neuroscience, no sólo no es invasiva, sino que puede activar las neuronas de forma rápida y reversible.

Varios estudios anteriores han demostrado que las proteínas de las células nerviosas que son activadas por el calor y la presión mecánica pueden ser modificadas genéticamente para que sean sensibles a las ondas de radio y a los campos magnéticos uniéndolas a una proteína que almacena hierro llamada ferritina, o a partículas paramagnéticas inorgánicas. Estos métodos representan un avance importante -ya se han utilizado, por ejemplo, para regular el azúcar en sangre en ratones-, pero implican múltiples componentes que deben introducirse por separado.

La nueva técnica se basa en estos trabajos anteriores y en una proteína llamada TRPV4, que es sensible tanto a la temperatura como a las fuerzas de estiramiento. Estos estímulos abren su poro central, permitiendo a la corriente eléctrica circular a través la membrana celular; esto evoca impulsos nerviosos que se propagan a través de la médula espinal y después hasta el cerebro.

Güler y sus colegas han estimado que el momento magnético (o las fuerzas de rotación) podrían activar el TRPV4 tirando sobre su poro central, así que utilizaron la ingeniería genética para fusionar la proteína con la región paramagnética de la ferritina, así como cortas secuencias de ADN que indican a las células de transportar proteínas a la membrana de las células nerviosas y las inserten en ella.

Cuando introdujeron esta construcción genética en células renales embrionarias humanas que crecían en placas de Petri, las células sintetizaron la proteína «Magneto» y la insertaron en su membrana. La aplicación de un campo magnético ha activado la proteína TRPV1 modificada, como lo demuestran los aumentos transitorios de la concentración de iones de calcio en las células, que han sido detectadas por microscopía de fluorescencia.

A continuación, los investigadores insertaron la secuencia de ADN de Magneto en el genoma de un virus, junto con el gen que codifica la proteína verde fluorescente y las secuencias de ADN reguladoras que provocan la expresión de la construcción en tipos de neuronas especificadas. Luego inyectaron el virus en el cerebro de los ratones, apuntando a la corteza entorrinal, y diseccionaron el cerebro  de los animales para identificar las células que emitían fluorescencia verde. Mediante el uso de microelectrodos, demostraron entonces que la aplicación de un campo magnético a los cortes del cerebro activaba a Magneto para que las células produjeran impulsos nerviosos.

Para determinar si el Magneto puede utilizarse para manipular la actividad neuronal en animales vivos, lo inyectaron en larvas de pez cebra, dirigiéndolo a las neuronas del tronco y la cola que normalmente controlan una respuesta de escape. Posteriormente, colocaron las larvas de pez cebra en un acuario especialmente diseñado para el imán y descubrieron que la exposición a un campo magnético inducía movimientos de bobinado similares a los de la respuesta de escape. (En este experimento participaron un total de nueve larvas de pez cebra, y el análisis posterior reveló que cada larva contenía unas 5 neuronas que expresaban Magneto).

Los investigadores leen y escriben la actividad cerebral con luz

Un equipo de neurocientíficos de la University College de Londres ha desarrollado una nueva forma de registrar y manipular simultáneamente la actividad de múltiples células del cerebro de animales vivos mediante pulsaciones de luz.

La técnica, descrita hoy en la revista Nature Methods, combina dos neurotecnologías de vanguardia. Esto podría permitir a los investigadores prescindir de los engorrosos microelectrodos que han utilizado tradicionalmente para sondear la actividad neuronal e interrogar el funcionamiento del cerebro a nivel celular en tiempo real y con detalles sin precedentes.

Una de ellas es la optogenética. Esto implica la creación de ratones modificados genéticamente que expresan proteínas de algas llamadas canalrodopsinas en grupos específicos de neuronas. Esto hace que las células sean sensibles a la luz, lo que permite a los investigadores activar o desactivar las células, dependiendo de la proteína canalrodopsinas que expresen y de la longitud de onda de la luz utilizada. Esto puede hacerse en una escala de tiempo de un milisegundo a un milisegundo, utilizando láser de pulsos de luz enviados al cerebro de los animales a través de una fibra óptica.

La otra es la imagen del calcio. Las señales de calcio son esenciales para casi todos los aspectos de la función neuronal, y las células nerviosas muestran un aumento repentino de la concentración de iones de calcio cuando comienzan a emitir impulsos nerviosos. Mediante el uso de colorantes que emiten una fluorescencia verde en respuesta a un aumento de la concentración de calcio, combinados con una microscopía de dos fotones, los investigadores pueden detectar esta firma para determinar qué células están activadas. De este modo, pueden «leer» eficazmente la actividad de poblaciones celulares enteras en rebanadas de tejido cerebral o en cerebros vivos.

Los colorantes sensibles al calcio son inyectables, por lo que es difícil dirigirlos con precisión. Más recientemente, los investigadores han desarrollado sensores de calcio codificados genéticamente para superar esta limitación. Los ratones pueden ser modificados genéticamente para que expresen estas proteínas sensibles al calcio en grupos específicos de células; al igual que los colorantes precedentes, también son fluorescentes en respuesta al aumento de la concentración de iones de calcio en las células que las expresan.

En un último experimento, los investigadores inyectaron Magneto en el estriado de ratones que se comportan libremente, una estructura cerebral profunda que contiene neuronas productoras de dopamina implicadas en la recompensa y la motivación, y luego colocaron a los animales en un aparato dividido en secciones magnetizadas y no magnetizadas… Los ratones que expresaban Magneto pasaban significativamente más tiempo en las zonas magnetizadas que los ratones no sensibilizados, porque la activación de la proteína causaba la liberación de dopamina por las neuronas estriatales que la expresaban, por lo que los ratones se encontraban en estas zonas gratificantes. Esto demuestra que Magneto puede controlar a distancia la activación de las neuronas en el cerebro y controlar comportamientos complejos.

El neurocientífico de la Universidad de Harvard Steve Ramírez, que utiliza la optogenética para manipular los recuerdos en el cerebro del ratón, .

«Los intentos anteriores [de utilizar imanes para controlar la actividad neuronal] requerían múltiples componentes para que el sistema funcionara: inyectar partículas magnéticas, inyectar un virus que exprese un canal sensible al calor, [o] fijar la cabeza del animal para que una bobina induzca cambios en el magnetismo», explica. «El problema de un sistema multicomponente es que hay mucho espacio para que cada pieza se descomponga».

Este sistema es un virus único y elegante que puede inyectarse en cualquier parte del cerebro, lo que hace que sea técnicamente más fácil y menos propenso a mover campanas y silbatos», añade, «y su equipo de comportamiento ha sido inteligentemente diseñado para contener imanes, llegado el caso, para que los animales puedan moverse libremente».

La «magnetogenética» es, por tanto, una importante adición a la caja de herramientas de los neurocientíficos, que sin duda seguirá desarrollándose, y proporcionará a los investigadores nuevos métodos para estudiar el desarrollo y la función del cerebro.

Referencia

Wheeler, MA et al. (2016). Control magnético del sistema nervioso dirigido genéticamente. Nat. Neurosci ., DOI: 10.1038 / nn.4265 https://www.theguardian.com/science/neurophilosophy//dec/22/researchers-read-and-write-brain-activity-with-light

Fuente: rustyjames

http://www.verdadypaciencia.com/2021/05/la-proteina-magneto-modificada-geneticamente-controla-a-distancia-el-cerebro-y-el-comportamiento.html