Muchos procesos cognitivos, como la toma de decisiones, tienen lugar en segundos o minutos. Los neurocientíficos anhelaban capturar la actividad de las neuronas durante tales tareas, pero ese sueño se ha mantenido esquivo, hasta ahora.
Un equipo de investigadores del MIT y de la Universidad de Stanford ha desarrollado una forma de etiquetar las neuronas cuando se vuelven activas, proporcionando esencialmente una instantánea de su actividad en un momento en el tiempo. Este enfoque podría ofrecer nuevos conocimientos significativos sobre la función de las neuronas al ofrecer una mayor precisión temporalque las técnicas actuales de etiquetado de células, que capturan la actividad a lo largo de ventanas de tiempo de horas o días.
"Un pensamiento o una función cognitiva generalmente dura 30 segundos o un minuto. Ese es el rango de lo que esperamos poder capturar", dice Kay Tye, profesora asistente en el Departamento de Ciencias del Cerebro y Cognitivas del MIT, miembro del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria, y uno de los autores principales del estudio, que aparece en Naturaleza Biotecnología el 26 de junio.
Tye prevé que esta herramienta podría usarse para ayudar a descifrar los circuitos neuronales involucrados en el aprendizaje y la memoria, entre muchas otras posibilidades.
Desarrolló la tecnología con la exprofesora del MIT Alice Ting, que ahora es profesora de genética y biología en Stanford y también es autora principal del artículo. El autor principal del artículo es Wenjing Wang, un postdoctorado de Stanford.
herramientas de ensueño
Mientras Ting estaba en el MIT, ella y Tye a menudo corrían juntos a lo largo del río Charles. Un día, hace unos cinco años, estaban discutiendo los proyectos de sus sueños. "Alice dijo: 'Si pudieras tener una herramienta que no existe actualmente, ¿qué tendrías?' Y dije que me gustaría ser capaz de definir funcionalmente poblaciones de neuronas y luego estudiarlas", recuerda Tye.
Las herramientas existentes permiten a los investigadores diseñar células para que cuando las neuronas activen un gen llamado cfos, que ayuda a las células a responder a la nueva información, también activen un gen introducido artificialmente para una proteína fluorescente u otra molécula marcadora. El sistema está diseñado paraque este etiquetado tiene lugar solo cuando los animales están expuestos a un fármaco que activa el sistema, dando a los científicos control sobre el momento, pero no un control muy preciso.
"Esas herramientas dependientes de la actividad han tenido un gran impacto, pero esas herramientas realmente solo funcionan en la escala de tiempo de un par de días", dice Tye. "Si piensas en la velocidad del código neuronal, está operando más al ritmode milisegundos. Lo que quería era una herramienta que pudiéramos usar para tomar una instantánea de la actividad en un momento dado".
Los investigadores diseñaron su herramienta para responder al calcio, porque las neuronas experimentan un flujo de iones de calcio cada vez que disparan un impulso eléctrico. Sin embargo, las neuronas solo se marcan si este flujo de calcio ocurre mientras la célula también está expuesta a un haz deluz azul emitida por los investigadores.
Esta combinación de exposición a la luz y actividad del calcio desencadena la activación de un factor de transcripción que activa un gen objetivo que los investigadores han diseñado en el genoma de las células. Este gen podría codificar una proteína fluorescente o cualquier otra cosa que podría usarse para marcaro manipular neuronas.
En este estudio, los investigadores demostraron la técnica, a la que llaman FLARE, activando una proteína fluorescente roja llamada mCherry en las neuronas de la corteza motora de ratones mientras corrían en una cinta rodante.
Este enfoque también podría usarse para etiquetar células con proteínas sensibles a la luz que permitirían controlar las neuronas seleccionadas mediante optogenética, o nuevas proteínas llamadas DREADDS que permiten controlar las neuronas usando medicamentos de molécula pequeña. Es importante destacar que, debido a que todoslos componentes de la herramienta se pueden administrar usando vectores virales, esta herramienta podría usarse en cualquier organismo modelo.
Etiquetado rápido
Ser capaz de etiquetar y luego manipular conjuntos de neuronas que están activas durante tareas específicas abre una amplia gama de estudios que antes eran imposibles, dice Tye. Por ejemplo, los investigadores podrían investigar qué sucede cuando el cerebro toma decisiones rápidas, respondea estímulos asociados con emociones fuertes, o determina qué comportamientos son apropiados para la situación actual.
Para este tipo de estudio, es particularmente importante contar con una herramienta que funcione rápidamente porque la misma neurona puede estar involucrada en diferentes tareas en diferentes momentos. La versión actual de la técnica puede etiquetar neuronas en unos pocos minutos.
"Esta es solo una herramienta de primera generación, pero ya podemos obtener un etiquetado muy estricto", dice Tye. "Ahora tenemos algo con lo que podemos trabajar. Estamos dentro del rango sorprendente de la precisión temporal deactividad neuronal".
Este tipo de herramienta también podría ser útil para estudiar y tratar enfermedades, dice Tye. Por ejemplo, los científicos podrían usarla para identificar neuronas enfermas que causan la enfermedad de Alzheimer, lo que podría permitirles identificar las neuronas que necesitan ser tratadas mientras se alejanneuronas sanas solas, dice ella.
"Lo que realmente me emociona son las posibilidades de lo que ahora podemos hacer", dice Tye. "Está abriendo toda esta área para que la gente pueda explorar".
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts. Original escrito por Anne Trafton. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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