Una técnica optogenética mínimamente invasiva que no requiere implantes cerebrales manipuló con éxito la actividad de las neuronas en ratones y monos, informan los investigadores el 29 de abril en la revista neurona . Los investigadores primero diseñaron neuronas genéticamente para producir una proteína recientemente desarrollada, extremadamente sensible a la luz llamada ALMA. Luego demostraron que es posible hacer brillar la luz a través del cráneo para alterar las respuestas neuronales en todo el cerebro del ratón, y a través de un gruesomembrana llamada duramadre para alcanzar regiones superficiales del cerebro de macaco.
"Esta nueva herramienta permitirá a los neurocientíficos aplicar la optogenética en experimentos con animales y al mismo tiempo garantizará que los cerebros en estudio sufran daños mínimos durante los experimentos", dice el coautor del estudio, Guoping Feng, del Instituto de Tecnología de Massachusetts MIT.en particular, los modelos de mono son críticos para nuestra comprensión de la alta función cognitiva y su disfunción en trastornos cerebrales como la esquizofrenia y la enfermedad de Alzheimer, y para desarrollar tratamientos para estos devastadores trastornos cerebrales ".
La optogenética es un método que implica el uso de la luz para activar o desactivar neuronas que se modifican genéticamente para producir proteínas sensibles a la luz llamadas opsinas. Este enfoque ha permitido a los neurocientíficos examinar el papel causal de diferentes tipos de neuronas en una variedad de comportamientos y cognitivosprocesos. Pero un inconveniente importante es que esta técnica generalmente requiere la implantación de fibras ópticas, que pueden causar daño cerebral e inflamación y aumentar el riesgo de infección.
"Antes de nuestro estudio, algunos estudios han contribuido de varias maneras al desarrollo de métodos de estimulación optogenética que serían mínimamente invasivos para el cerebro", dice el coautor del estudio Robert Desimone, del MIT. "Sin embargo, todos estoslos estudios tenían varias limitaciones en la extensión de las regiones del cerebro que podían activar. Una novedad importante de nuestro estudio es que es el primero en demostrar un método para activar cualquier región del cerebro del ratón independientemente de su ubicación con luz del exterior del cráneo ".
En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron la proteína ALMA sensible a la luz para manipular la actividad de las neuronas en el hipotálamo lateral, una de las regiones más profundas del cerebro del ratón. Lo hicieron alumbrando a través de una fibra óptica colocada arribael cráneo intacto. Para confirmar que el enfoque estaba funcionando, también monitorearon las respuestas neuronales en esa región del cerebro mediante registros electrofisiológicos.
El suministro de luz azul estimuló las neuronas e interrumpió el comportamiento de alimentación, que es controlado por el hipotálamo lateral. Además, la luz naranja desactivó las neuronas y restableció el consumo normal de alimentos. Un análisis adicional confirmó que este enfoque no causó inflamación o lesión cerebral.
Los investigadores tuvieron que modificar su técnica en macacos, que tienen cráneos mucho más gruesos que los ratones. Emitían luz a través de una fibra óptica colocada fuera de la duramadre, una membrana gruesa hecha de tejido denso que rodea el cerebro. Estos experimentos mostraron que SOULpuede usarse en monos para alterar las respuestas neuronales en la corteza, la capa externa de tejido neural en el cerebro. Según los autores, ningún estudio previo había demostrado un método optogenético con tan mínima invasividad en macacos.
Sorprendentemente, la técnica fue capaz de inducir y alterar las oscilaciones potenciales del campo local: actividad eléctrica sincronizada rítmica de las neuronas. Hasta ahora, ha sido muy difícil manipular las oscilaciones para estudiar su papel causal en las funciones cerebrales.
"Se cree que estas oscilaciones son muy importantes para muchas funciones del cerebro, incluida la memoria, la atención, el sueño y la toma de decisiones", dice el coprimer autor Diego Mendoza-Halliday del MIT. "Fue emocionante descubrir quenuestra nueva opsina se puede utilizar como un método para activar y desactivar estas ondas cerebrales a voluntad, ya que nos permitirá estudiar mejor el papel de estas ondas en múltiples funciones cerebrales ".
Avanzando, la optogenética basada en ALMA abre muchas nuevas vías de investigación. Por ejemplo, este enfoque podría arrojar luz sobre el desarrollo temprano del cerebro, que es especialmente susceptible al daño tisular severo causado por los implantes de fibra óptica a largo plazo. Debido a su superioridadSensibilidad a la luz, SOUL se puede utilizar para controlar las respuestas neuronales en circuitos neuronales a gran escala involucrados en diversas funciones cerebrales.Además, SOUL permanece activo durante más de 30 minutos, lo que permite a los científicos estudiar comportamientos a largo plazo de animales en movimiento libre que no están restringidospor fibras ópticas.
Por su parte, los investigadores trabajarán para mejorar la sensibilidad de SOUL para que puedan manipular la actividad neuronal a través de los cráneos gruesos de animales grandes para alcanzar regiones cerebrales más profundas. Además de revelar las causas de los trastornos neurológicos y psiquiátricos en animales,Este enfoque podría algún día ser utilizado para el tratamiento de estos trastornos en humanos.
Aunque la técnica reduce la invasividad y el daño cerebral asociado con la optogenética, todavía está muy lejos de la traducción clínica. "Antes de que la optogenética pueda considerarse una opción de tratamiento viable, los riesgos potenciales de tales tratamientos en pacientes deben evaluarse cuidadosamente,particularmente aquellos asociados con la expresión de la opsina, una proteína extraña, en el cerebro ", dice Feng.
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