Investigadores en los Estados Unidos han desarrollado un nuevo método para controlar los circuitos cerebrales asociados con comportamientos animales complejos, utilizando ingeniería genética para crear una proteína magnetizada que activa grupos específicos de células nerviosas a distancia.
Comprender cómo el cerebro genera el comportamiento es uno de los objetivos finales de la neurociencia y una de sus preguntas más difíciles. En los últimos años, los investigadores han desarrollado una serie de métodos que les permiten controlar de forma remota grupos específicos de neuronas y sondear el funcionamiento de los circuitos neuronales.
El más poderoso de ellos es un método llamado optogenética , que permite a los investigadores activar o desactivar poblaciones de neuronas relacionadas en una escala de tiempo de milisegundo por milisegundo con pulsos de luz láser. Otro método desarrollado recientemente, llamado quimiogenética , utiliza proteínas diseñadas que son activadas por medicamentos de diseño y pueden dirigirse a tipos de células específicos.
Aunque son poderosos, ambos métodos tienen inconvenientes. La optogenética es invasiva y requiere la inserción de fibras ópticas que envían los pulsos de luz al cerebro y, además, la medida en que la luz penetra en el tejido cerebral denso es muy limitada. Los enfoques quimiogenéticos superan estas dos limitaciones, pero normalmente inducen 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 avanzada en línea en la revista Nature Neuroscience , no solo es no invasiva, sino que también puede activar neuronas rápida y reversiblemente.
Varios estudios anteriores han demostrado que las proteínas de las células nerviosas que se activan por el calor y la presión mecánica pueden modificarse genéticamente para que se vuelvan sensibles a las ondas de radio y los campos magnéticos , uniéndolas a una proteína que almacena hierro llamada ferritina, oa partículas paramagnéticas inorgánicas. . Estos métodos representan un avance importante, por ejemplo, ya se han utilizado para regular los niveles de glucosa en sangre en ratones , pero involucran múltiples componentes que deben introducirse por separado.
La nueva técnica se basa en este trabajo anterior y se basa 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 que la corriente eléctrica fluya a través de la membrana celular; esto evoca impulsos nerviosos que viajan a la médula espinal y luego al cerebro.
Güler y sus colegas razonaron que las fuerzas de torsión magnética (o de rotación) podrían activar TRPV4 abriendo su poro central, por lo que utilizaron ingeniería genética para fusionar la proteína a la región paramagnética de ferritina, junto con secuencias cortas de ADN que indican a las células que transporten proteínas a la membrana de la célula nerviosa e insertarlas 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 activó la proteína TRPV1 modificada, como lo demuestran los aumentos transitorios en la concentración de iones de calcio dentro de las células, que se detectaron con un microscopio 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 hacen que la construcción se exprese solo en tipos específicos de neuronas. Luego inyectaron el virus en los cerebros de los ratones, apuntando a la corteza entorrinal, y diseccionaron los cerebros de los animales para identificar las células que emitían fluorescencia verde. Usando microelectrodos, demostraron que la aplicación de un campo magnético a las rebanadas del cerebro activaba Magneto para que las células produjeran impulsos nerviosos.
Para determinar si Magneto puede usarse para manipular la actividad neuronal en animales vivos, inyectaron Magneto en larvas de pez cebra, apuntando a las neuronas en el tronco y la cola que normalmente controlan una respuesta de escape. Luego colocaron las larvas de pez cebra en un acuario magnetizado especialmente construido y encontraron que la exposición a un campo magnético inducía maniobras de enrollamiento similares a las que ocurren durante la respuesta de escape. (Este experimento involucró un total de nueve larvas de pez cebra, y los análisis posteriores revelaron que cada larva contenía alrededor de 5 neuronas que expresan Magneto).
En un experimento final, los investigadores inyectaron Magneto en el cuerpo estriado de ratones que se comportaban libremente, una estructura cerebral profunda que contiene neuronas productoras de dopamina que participan 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 expresaron Magneto pasaron mucho más tiempo en las áreas magnetizadas que los ratones que no lo hicieron, porque la activación de la proteína hizo que las neuronas estriatales que la expresan liberaran dopamina, por lo que los ratones encontraron gratificante estar en esas áreas. Esto muestra que Magneto puede controlar de forma remota la activación de neuronas en las profundidades del cerebro y también controlar comportamientos complejos.
El neurocientífico Steve Ramirez de la Universidad de Harvard, que usa la optogenética para manipular los recuerdos en el cerebro de los ratones, dice que el estudio es " rudo ".
“Los intentos anteriores [usando imanes para controlar la actividad neuronal] necesitaban múltiples componentes para que el sistema funcionara: inyectar partículas magnéticas, inyectar un virus que expresa un canal sensible al calor, [o] arreglar la cabeza del animal para que una bobina pudiera inducir cambios en el magnetismo ”, explica. "El problema de tener un sistema multicomponente es que hay mucho espacio para que cada pieza individual se rompa".
“Este sistema es un virus único y elegante que se puede inyectar en cualquier parte del cerebro, lo que hace que sea técnicamente más fácil y menos probable que se rompan las campanas y los silbatos en movimiento”, agrega, “y su equipo de comportamiento fue inteligentemente diseñado para contener imanes donde sea apropiado para que los animales puedan moverse libremente ”.
La 'Magnetogenética' es, por lo tanto, una adición importante a la caja de herramientas de los neurocientíficos, que sin duda se desarrollará aún más y proporcionará a los investigadores nuevas formas de estudiar el desarrollo y la función del cerebro.
Referencia
Wheeler, MA y col . (2016). Control magnético genéticamente dirigido del sistema nervioso. Nat. Neurosci ., DOI: 10.1038 / nn.4265 [ Resumen ]
