Controlan con luz las neuronas de un animal vivo

Científicos de la Escuela politécnica federal de Lausana (EPFL), en Suiza, han utilizado un método de vanguardia para estimular las neuronas del cerebro con luz. Con este sistema, han logrado, por primera vez, registrar con éxito la transmisión sináptica entre neuronas  en un animal vivo, informa la EPFL en un comunicado.

Las neuronas o células del sistema nervioso se comunican entre ellas mediante la transmisión de señales químicas, a través de las llamadas sinapsis. Esta "transmisión sináptica" es fundamental para que el cerebro y la médula espinal puedan procesar rápidamente la enorme cantidad de estímulos entrantes, y generar señales de salida como respuesta.

Sin embargo, el estudio de la transmisión sináptica en animales vivos es muy difícil, y por tanto suele hacerse en condiciones artificiales que no reflejan el ambiente real de las neuronas.

Ahora, los científicos de la EPFL han observado y medido la transmisión sináptica en un animal vivo, por primera vez, utilizando un nuevo enfoque que combina la genética con la física de la luz. Su trabajo se publica en la revista Neuron.

En qué consiste

Aurélie Pala y Carl Petersen, del Brain Mind Institute de la EPFL, utilizaron una técnica novedosa llamada "optogenética", con la que se han hecho espectaculares avances en el campo de la neurociencia en los últimos diez años. Por ejemplo, con esta técnica se ha conseguido borrar recuerdos ; inhibir, en ratas drogadictas, la búsqueda compulsiva de cocaína o identificar los circuitos neuronales responsables de la ansiedad.

El método utiliza la luz para controlar con precisión la actividad en tiempo real de neuronas específicas en animales, e incluso en movimiento. Semejante precisión es esencial para estudiar los cientos de diferentes tipos de neuronas, y entender las funciones superiores del cerebro, como el pensamiento, el comportamiento, el lenguaje, la memoria e incluso los trastornos mentales.

La optogenética consiste en insertar el gen de una proteína sensible a la luz en neuronas vivas; en una sola de estas células o en una familia entera de ellas. Las neuronas modificadas genéticamente producen entonces esa proteína sensible a la luz, que permanece ubicada en el exterior de las células, en sus membranas.

Allí, actúa como un canal eléctrico, como una suerte de “pasaje”. Cuando se hace incidir luz sobre la neurona modificada, el canal de la proteína se abre, permitiendo que los iones eléctricos fluyan al interior de la célula.

Esta adición de iones transforma el voltaje eléctrico del interior de la neurona. Si el estímulo optogenético es suficientemente fuerte, puede generar una señal eléctrica explosiva en la célula. En otras palabras, “encendiendo y apagando” la luz, la optogenética permite controlar la actividad neuronal.

Logros conseguidos

Los científicos de la EPFL utilizaron la optogenética para estimular neuronas individuales de ratones anestesiados, y para verificar si el enfoque podía usarse para registrar transmisiones sinápticas.
Hicieron sus pruebas con neuronas situadas en una parte del cerebro del ratón llamada corteza somatosensorial, que es un área que procesa la información sensorial de los bigotes del ratón.

Haciendo brillar luz azul sobre estas neuronas -que ya contenían la proteína sensible a la luz-, estas se activaron y dispararon señales. Al mismo tiempo, los investigadores midieron esas señales eléctricas utilizando microelectrodos capaces de registrar pequeños cambios de voltaje, a través de la membrana de una neurona vecina.

Gracias a este sistema, se consiguió observar cómo las neuronas sensibles a la luz se conectaban a algunas de sus vecinas, a través de unos pequeños conectores llamados interneuronas. En el cerebro, las interneuronas son generalmente inhibitorias: cuando reciben una señal, hacen a la siguiente neurona menos susceptible de continuar con la transmisión.

 Los investigadores registraron y analizaron a continuación las transmisiones sinápticas de las neuronas, a través de las interneuronas. Además, utilizaron una técnica de imagen avanzada (microscopía de excitación de dos fotones) que les permitió escrutar profundamente el cerebro del ratón vivo e identificar el tipo de cada interneurona que estaban estudiando. Los datos mostraron que las transmisiones neuronales de las neuronas sensibles a la luz varían, en función del tipo de interneurona receptora.   
 
Nuevas incursiones

Aurélie Pala cree que los resultados obtenidos señalan que se puede “utilizar la optogenética para armar un panorama más amplio de la conectividad entre otros tipos de neuronas, en otras áreas del cerebro".

De hecho, los investigadores planean ya explorar otras conexiones neuronales en la corteza somato-sensorial de los ratones. Aspiran asimismo a probar esta técnica en ratones despiertos, para ver cómo cambia su actividad neuronal y si con la luz pueden afectarse sus funciones cerebrales superiores.

Referencia bibliográfica:

Pala A, Petersen CCH. In Vivo Measurement of Cell-Type-Specific Synaptic Connectivity and Synaptic Transmission in Layer 2/3 Mouse Barrel Cortex . Neuron (2015). DOI: 10.1016/j.neuron.2014.11.025.