Abajo, las reacciones del gusano tras tocar el hongo carnívoro: a la izquierda, se relaja (señal inhibitoria) y a la derecha, se contrae (señal excitatoria). Imagen: Jennifer Pirri et al. Fuente: PLOS Biology.
Científicos de la Escuela de Medicina de la Universidad de Massachusetts (EE.UU.) han demostrado que es posible revertir el comportamiento de un animal accionando un interruptor en la comunicación neuronal. La investigación, publicada en PLOS Biology, ofrece un nuevo enfoque para el estudio de los circuitos neuronales que gobiernan el comportamiento. También tiene importantes implicaciones sobre cómo piensan los científicos acerca del mapa de carreteras neural.
Las nuevas tecnologías han impulsado el objetivo de cartografiar todas las conexiones neuronales del cerebro para entender cómo estas redes procesan información y controlan el comportamiento. El cerebro humano se compone de 100 mil millones de neuronas que conforman un cuatrillón de conexiones. La longitud total de los procesos neuronales en el cerebro humano es de aproximadamente 6,4 millones de kilómetros de largo, similar en longitud al número total de carreteras de EE.UU.
A lo largo de estas redes, las neuronas se comunican entre sí a través de sinapsis excitatorias e inhibitorias que encienden y apagan las neuronas, respectivamente.
El mapa de carreteras neuronal o conectoma, sin embargo, no incluye información sobre la actividad de las neuronas o las señales que transmiten. La complejidad del cerebro humano hace que sea casi imposible abordar cuestiones tales como la estabilidad de los circuitos neuronales del cerebro y si su cableado restringe el flujo de información, o los comportamientos que controlan.
Mark Alkema, profesor de neurobiología, buscó las respuestas en el nematodo C. elegans. Se trata de un pequeño gusano con sólo 302 neuronas, y es el único animal cuyo mapa de carreteras neuronal ha sido completamente definido.
En este estudio, Alkema y sus colegas intentaron determinar si cambiar la señal de una sinapsis de inhibitoria a excitatoria en el cerebro del gusano era suficiente para revertir un comportamiento. Para ello, analizaron la respuesta táctil que emplea C. elegans para escapar de los hongos carnívoros que utilizan trampas con forma de hilo para atrapar nematodos. Durante esta respuesta de escape, libera neurotransmisores que activan un canal iónico inhibitorio. Esto hace que el gusano relaje la cabeza y rápidamente cambie de dirección lejos del depredador.
Las nuevas tecnologías han impulsado el objetivo de cartografiar todas las conexiones neuronales del cerebro para entender cómo estas redes procesan información y controlan el comportamiento. El cerebro humano se compone de 100 mil millones de neuronas que conforman un cuatrillón de conexiones. La longitud total de los procesos neuronales en el cerebro humano es de aproximadamente 6,4 millones de kilómetros de largo, similar en longitud al número total de carreteras de EE.UU.
A lo largo de estas redes, las neuronas se comunican entre sí a través de sinapsis excitatorias e inhibitorias que encienden y apagan las neuronas, respectivamente.
El mapa de carreteras neuronal o conectoma, sin embargo, no incluye información sobre la actividad de las neuronas o las señales que transmiten. La complejidad del cerebro humano hace que sea casi imposible abordar cuestiones tales como la estabilidad de los circuitos neuronales del cerebro y si su cableado restringe el flujo de información, o los comportamientos que controlan.
Mark Alkema, profesor de neurobiología, buscó las respuestas en el nematodo C. elegans. Se trata de un pequeño gusano con sólo 302 neuronas, y es el único animal cuyo mapa de carreteras neuronal ha sido completamente definido.
En este estudio, Alkema y sus colegas intentaron determinar si cambiar la señal de una sinapsis de inhibitoria a excitatoria en el cerebro del gusano era suficiente para revertir un comportamiento. Para ello, analizaron la respuesta táctil que emplea C. elegans para escapar de los hongos carnívoros que utilizan trampas con forma de hilo para atrapar nematodos. Durante esta respuesta de escape, libera neurotransmisores que activan un canal iónico inhibitorio. Esto hace que el gusano relaje la cabeza y rápidamente cambie de dirección lejos del depredador.
'Caenorhabditis elegans'. Imagen: Kbradnam. Fuente: Wikipedia.
Cambio
Jenn Pirri, estudiante de doctorado en el laboratorio de Alkema, y Diego Rayes, ex becario postdoctoral ahora en el Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Bahía Blanca en Argentina, reemplazaron en un nematodo vivo el canal iónico inhibitorio por una versión excitatoria del mismo.
"Sorprendentemente, el canal rediseñado no afecta el desarrollo de los circuitos neuronales y se incorpora adecuadamente a ellos, en el cerebro de gusano", dice Alkema en la información de la universidad. "Las células que normalmente están inhibidas en el cerebro ahora se activan."
"Lo más sorprendente es que hemos sido capaces de conseguir un comportamiento completamente inverso simplemente cambiando el signo de una sinapsis en la red neuronal", explica Alkema. "Ahora el animal contrae la cabeza y tiende a moverse hacia adelante en respuesta al tacto. Esto sugiere que el diagrama de cableado neural es notablemente estable y permite estos tipos de cambios".
"Nuestros estudios indican que el cambio en el signo de una sinapsis no sólo proporciona un nuevo y sintético mecanismo para cambiar el comportamiento resultante sino que incluso podría ser un mecanismo evolutivo para cambiar el comportamiento", dice Alkema. "A medida que empezamos a desentrañar la complejidad y el diseño de la red neuronal, crece la posibilidad de un nuevo mecanismo para probar la función de los circuitos o incluso diseñar nuevos circuitos neuronales in vivo."
Jenn Pirri, estudiante de doctorado en el laboratorio de Alkema, y Diego Rayes, ex becario postdoctoral ahora en el Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Bahía Blanca en Argentina, reemplazaron en un nematodo vivo el canal iónico inhibitorio por una versión excitatoria del mismo.
"Sorprendentemente, el canal rediseñado no afecta el desarrollo de los circuitos neuronales y se incorpora adecuadamente a ellos, en el cerebro de gusano", dice Alkema en la información de la universidad. "Las células que normalmente están inhibidas en el cerebro ahora se activan."
"Lo más sorprendente es que hemos sido capaces de conseguir un comportamiento completamente inverso simplemente cambiando el signo de una sinapsis en la red neuronal", explica Alkema. "Ahora el animal contrae la cabeza y tiende a moverse hacia adelante en respuesta al tacto. Esto sugiere que el diagrama de cableado neural es notablemente estable y permite estos tipos de cambios".
"Nuestros estudios indican que el cambio en el signo de una sinapsis no sólo proporciona un nuevo y sintético mecanismo para cambiar el comportamiento resultante sino que incluso podría ser un mecanismo evolutivo para cambiar el comportamiento", dice Alkema. "A medida que empezamos a desentrañar la complejidad y el diseño de la red neuronal, crece la posibilidad de un nuevo mecanismo para probar la función de los circuitos o incluso diseñar nuevos circuitos neuronales in vivo."
Referencia bibliográfica:
Jennifer K. Pirri, Diego Rayes, Mark J. Alkema: A Change in the Ion Selectivity of Ligand-Gated Ion Channels Provides a Mechanism to Switch Behavior. PLOS Biology (2015). DOI: 10.1371/journal.pbio.1002238.
Jennifer K. Pirri, Diego Rayes, Mark J. Alkema: A Change in the Ion Selectivity of Ligand-Gated Ion Channels Provides a Mechanism to Switch Behavior. PLOS Biology (2015). DOI: 10.1371/journal.pbio.1002238.