Imagen: Patrick Hoesly. Fuente: Flickr.
En un intento por comprender cómo el cerebro convierte las señales sensoriales en comportamiento, científicos de la Universidad de Harvard, en Estados Unidos, han cruzado un importante umbral.
Con una tecnología láser de alta precisión, los científicos consiguieron controlar el cerebro de unos gusanos nematodos para hacer que estos girasen en la dirección que ellos deseaban e, incluso, implantar en los gusanos información sensorial falsa para hacerles creer que había comida cerca.
Tal y como se describe en un artículo recientemente publicado por Nature, el equipo de científicos (formado por Sharad Ramanathan, profesor de biología celular y molecular y de física aplicada de la Universidad de Harvard; y sus colaboradores, Askin Kocabas, Ching-Han Shen y Zengcai V. Guo) lograron controlar a unos diminutos gusanos transparentes, los Caenorhabditis elegans, por medio de la manipulación de sus cerebros.
De la simplicidad a la complejidad
En declaraciones aparecidas en Eurekalert, Ramanathan explica que este logro es importante porque controlando los comportamientos complejos de un animal relativamente simple (el C. elegans tiene solo 302 neuronas interconectadas a través de 7.000 sinapsis) se puede llegar a comprender cómo funciona el sistema nervioso.
“Si podemos entender los sistemas nerviosos simples hasta el punto de controlarlos completamente, entonces podríamos alcanzar una comprensión integral de sistemas (nerviosos) más complejos”, afirma el investigador.
Esta posibilidad proporciona “un marco desde el que analizar los circuitos neuronales, así como aprender a manipularlos, a definir qué circuitos manipular o a determinar qué patrones de actividad se pueden producir en ellos”, añade Ramanathan.
El científico afirma que ya se habían llevado a cabo investigaciones muy importantes con neuronas sustraídas o mutantes que afectan a la función neuronal, y que a partir de estos estudios se había podido mapear la conectividad entera del sistema nervioso.
Pero, en la mayoría de estos casos, se descubrieron las neuronas necesarias para comportamientos específicos a partir de la destrucción de dichas neuronas. Ramanathan y su equipo pretendían estudiar esa conectividad, pero por otra vía: “La cuestión que nosotros intentamos resolver era la siguiente: En lugar de destruir el sistema para comprenderlo, ¿podemos esencialmente “secuestrar” a neuronas clave implicadas en la regulación del comportamiento, y usarlas para forzar a los animales a hacer lo que nosotros queremos?”, explica el investigador.
Con una tecnología láser de alta precisión, los científicos consiguieron controlar el cerebro de unos gusanos nematodos para hacer que estos girasen en la dirección que ellos deseaban e, incluso, implantar en los gusanos información sensorial falsa para hacerles creer que había comida cerca.
Tal y como se describe en un artículo recientemente publicado por Nature, el equipo de científicos (formado por Sharad Ramanathan, profesor de biología celular y molecular y de física aplicada de la Universidad de Harvard; y sus colaboradores, Askin Kocabas, Ching-Han Shen y Zengcai V. Guo) lograron controlar a unos diminutos gusanos transparentes, los Caenorhabditis elegans, por medio de la manipulación de sus cerebros.
De la simplicidad a la complejidad
En declaraciones aparecidas en Eurekalert, Ramanathan explica que este logro es importante porque controlando los comportamientos complejos de un animal relativamente simple (el C. elegans tiene solo 302 neuronas interconectadas a través de 7.000 sinapsis) se puede llegar a comprender cómo funciona el sistema nervioso.
“Si podemos entender los sistemas nerviosos simples hasta el punto de controlarlos completamente, entonces podríamos alcanzar una comprensión integral de sistemas (nerviosos) más complejos”, afirma el investigador.
Esta posibilidad proporciona “un marco desde el que analizar los circuitos neuronales, así como aprender a manipularlos, a definir qué circuitos manipular o a determinar qué patrones de actividad se pueden producir en ellos”, añade Ramanathan.
El científico afirma que ya se habían llevado a cabo investigaciones muy importantes con neuronas sustraídas o mutantes que afectan a la función neuronal, y que a partir de estos estudios se había podido mapear la conectividad entera del sistema nervioso.
Pero, en la mayoría de estos casos, se descubrieron las neuronas necesarias para comportamientos específicos a partir de la destrucción de dichas neuronas. Ramanathan y su equipo pretendían estudiar esa conectividad, pero por otra vía: “La cuestión que nosotros intentamos resolver era la siguiente: En lugar de destruir el sistema para comprenderlo, ¿podemos esencialmente “secuestrar” a neuronas clave implicadas en la regulación del comportamiento, y usarlas para forzar a los animales a hacer lo que nosotros queremos?”, explica el investigador.
De izquierda a derecha: Askin Kocabas, Hannah Shen y Sharad Ramanathan. Fuente: Universidad de Harvard.
Desafíos técnicos
Para responder a esta cuestión, Ramanathan y su equipo tuvieron que resolver antes que nada una serie de desafíos técnicos.
Por una parte, aplicando la ingeniería genética los investigadores diseñaron gusanos cuyas neuronas emitían una luz fluorescente. Esta luz permitió a los científicos seguir el rastro a las neuronas durante los experimentos.
Por otra parte, los investigadores también alteraron los genes de los gusanos para hacer que sus neuronas fueran sensibles a la luz, de tal manera que pudieran ser activadas con pulsos de luz láser.
Pero el mayor desafío de todo el proceso fue el desarrollo del dispositivo necesario para seguir a los gusanos y apuntar a la neurona correcta dentro de sus cerebros, todo ello en tan solo una fracción de segundo.
Según Ramanathan: “el objetivo era activar una sola neurona. Esto es difícil porque el animal está en movimiento, y las neuronas de su cerebro están densamente apiñadas cerca de su cabeza. Por tanto, había que obtener una imagen del animal, procesarla, identificar la neurona, rastrear la posición del animal y, por último, situar el láser y apuntar a una neurona particular. Todo ello en 20 milisegundos. Este obstáculo técnico parecía insalvable cuando empezamos, pero Askin Kocabas encontró la manera de soslayarlo”.
Con el tiempo, los investigadores desarrollaron un sistema que utiliza una mesa portátil para mantener al gusano reptante centrado bajo una cámara y el láser. Asimismo, los científicos crearon un hardware y un software para asegurar que todo funciona a la velocidad precisa.
El resultado final ha sido un sistema capaz, no solo de controlar el comportamiento de los gusanos, sino también sus sentidos.
Siguiente paso: el pez cebra
De hecho, en una de las pruebas descritas en el artículo de Nature, los investigadores consiguieron usar el sistema para engañar al cerebro de un gusano para que este creyera que había comida cerca, y se fuera directo al alimento imaginario siguiendo su fórmula de búsqueda tradicional.
Según explicaron Ramanathan y su equipo en un artículo publicado por la Universidad de Harvard en 2010, en un estado natural, estos gusanos combinan giros y vueltas para detectar y rastrear señales atrayentes en su entorno. A continuación, se mueven hacia las señales de alimentos encontradas.
Además de provocar que buscasen la comida, “manipulando el sistema neuronal de los gusanos, pudimos hacer que estos girasen a la izquierda, que girasen a la derecha o que se enrollasen”, afirma Ramanathan.
En adelante, los científicos planean explorar qué otros comportamientos del C. elegans puede llegar a controlar este sistema. Para ello, tratarán de diseñar nuevas cámaras y un nuevo hardware informático, con el objetivo de aumentar la velocidad de todo el proceso para que este dure solo un milisegundo, en lugar de los 20 milisegundos actuales.
Este aumento de la velocidad permitirá probar el sistema en animales más complejos, como el pez cebra, afirman los investigadores.
Para responder a esta cuestión, Ramanathan y su equipo tuvieron que resolver antes que nada una serie de desafíos técnicos.
Por una parte, aplicando la ingeniería genética los investigadores diseñaron gusanos cuyas neuronas emitían una luz fluorescente. Esta luz permitió a los científicos seguir el rastro a las neuronas durante los experimentos.
Por otra parte, los investigadores también alteraron los genes de los gusanos para hacer que sus neuronas fueran sensibles a la luz, de tal manera que pudieran ser activadas con pulsos de luz láser.
Pero el mayor desafío de todo el proceso fue el desarrollo del dispositivo necesario para seguir a los gusanos y apuntar a la neurona correcta dentro de sus cerebros, todo ello en tan solo una fracción de segundo.
Según Ramanathan: “el objetivo era activar una sola neurona. Esto es difícil porque el animal está en movimiento, y las neuronas de su cerebro están densamente apiñadas cerca de su cabeza. Por tanto, había que obtener una imagen del animal, procesarla, identificar la neurona, rastrear la posición del animal y, por último, situar el láser y apuntar a una neurona particular. Todo ello en 20 milisegundos. Este obstáculo técnico parecía insalvable cuando empezamos, pero Askin Kocabas encontró la manera de soslayarlo”.
Con el tiempo, los investigadores desarrollaron un sistema que utiliza una mesa portátil para mantener al gusano reptante centrado bajo una cámara y el láser. Asimismo, los científicos crearon un hardware y un software para asegurar que todo funciona a la velocidad precisa.
El resultado final ha sido un sistema capaz, no solo de controlar el comportamiento de los gusanos, sino también sus sentidos.
Siguiente paso: el pez cebra
De hecho, en una de las pruebas descritas en el artículo de Nature, los investigadores consiguieron usar el sistema para engañar al cerebro de un gusano para que este creyera que había comida cerca, y se fuera directo al alimento imaginario siguiendo su fórmula de búsqueda tradicional.
Según explicaron Ramanathan y su equipo en un artículo publicado por la Universidad de Harvard en 2010, en un estado natural, estos gusanos combinan giros y vueltas para detectar y rastrear señales atrayentes en su entorno. A continuación, se mueven hacia las señales de alimentos encontradas.
Además de provocar que buscasen la comida, “manipulando el sistema neuronal de los gusanos, pudimos hacer que estos girasen a la izquierda, que girasen a la derecha o que se enrollasen”, afirma Ramanathan.
En adelante, los científicos planean explorar qué otros comportamientos del C. elegans puede llegar a controlar este sistema. Para ello, tratarán de diseñar nuevas cámaras y un nuevo hardware informático, con el objetivo de aumentar la velocidad de todo el proceso para que este dure solo un milisegundo, en lugar de los 20 milisegundos actuales.
Este aumento de la velocidad permitirá probar el sistema en animales más complejos, como el pez cebra, afirman los investigadores.
Referencia bibliográfica:
Askin Kocabas, Ching-Han Shen, Zengcai V. Guo & Sharad Ramanathan. Controlling interneuron activity in Caenorhabditis elegans to evoke chemotactic behaviour. Nature (2012). doi:10.1038/nature11431.
Askin Kocabas, Ching-Han Shen, Zengcai V. Guo & Sharad Ramanathan. Controlling interneuron activity in Caenorhabditis elegans to evoke chemotactic behaviour. Nature (2012). doi:10.1038/nature11431.