El agua que rodea a las neuronas permite observar la actividad cerebral

Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) en Suiza han podido observar la actividad eléctrica de las neuronas simplemente al examinar el comportamiento de las moléculas del agua circundante.

Este método, simple y no invasivo, podría reemplazar a los electrodos y fluoróforos comúnmente usados, ya que puede monitorizar la actividad que se desarrolla dentro de neurona y potencialmente también en una región completa del cerebro.

En nuestro cerebro, las neuronas se comunican mediante el envío de señales electroquímicas a lo largo de los axones. Para lanzar una señal en forma de descarga eléctrica y comunicarse, la neurona permite que los iones crucen su membrana a través de los canales iónicos. Estos intercambios de iones cambian muy rápidamente el potencial eléctrico del interior y el exterior de la célula cerebral. A esta diferencia se la llama potencial de membrana.

El equipo del Laboratorio de Biotecnología Fundamental (LBP) de la Facultad de Ingeniería de Ciencia y Tecnología (STI) de la EPFL ha logrado observar estos cambios potenciales y el flujo de iones, analizando el comportamiento de las moléculas del agua que rodean a las neuronas. El método, que se publica en Nature Communications, se ha probado con éxito en neuronas de ratón in vitro.

Sin electrodos y fluoróforos

La actividad eléctrica de las neuronas es indicativa de muchos fenómenos en nuestro cerebro. Puede indicar si una neurona está activa, si está en reposo o si reacciona bien a un medicamento.

Actualmente, la observación de las neuronas se realiza mediante el uso de fluoróforos (que hacen que una molécula sea fluorescente)  o mediante la colocación de electrodos en el área a observar. Pero los fluoróforos son tóxicos y los electrodos pueden dañar las neuronas.

Los investigadores de LBP han conseguido evitar estas limitaciones y monitorizar la actividad eléctrica del cerebro simplemente observando las interacciones entre las moléculas de agua y la membrana de las neuronas.

"Las neuronas están rodeadas de moléculas de agua. Pero estas últimas cambian de orientación según las cargas eléctricas presentes ", explica Sylvie Roke, directora de LBP, en un comunicado. "Entonces, cuando el potencial de membrana cambia, varias moléculas cambian su orientación, y podemos verlo".

Con iones de potasio

Para su estudio, los investigadores crearon intencionalmente cambios en el potencial de la membrana, al someter a las neuronas a un gran flujo de iones de potasio. El potasio es el principal ion del interior de las células.

Esto provocó que los canales iónicos en la superficie de las neuronas, que sirven para regular el potencial de la membrana, se abrieran y dejaran pasar a los iones. Luego, los investigadores apagaron el flujo de iones y las neuronas liberaron los iones que habían recogido.

Para observar esta actividad, los investigadores señalaron dos rayos láser de la misma frecuencia en las membranas lipídicas de las neuronas sumergidas en agua. Estos rayos superpuestos están formados por pulsos de femtosegundo, generados por la tecnología otorgada por el Premio Nobel de Física en 2018, de modo que las moléculas de agua cercanas a la membrana emiten fotones a una doble frecuencia, llamada "luz del segundo armónico”.

"Creemos que esta investigación tiene implicaciones fundamentales y aplicadas. Puede ayudarnos a comprender los mecanismos involucrados en la difusión de información en el cerebro, pero también podría interesar a las compañías farmacéuticas que desean probar los productos in vitro", añade  Roke. "También demostramos que podríamos probar una sola neurona, o varias simultáneamente".

Referencia

Membrane water for probing neuronal membrane potentials and ionic fluxes at the single cell level. M. E. P. Didier et al. Nature Communicationsvolume 9, Article number: 5287 (2018). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-018-07713-w