La Espuma De Estanque Conduce A Una Herramienta Crítica De Investigación Cerebral

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La investigación en escoria de estanques ha ayudado con importantes avances en la investigación del cerebro.

Este artículo de Detrás de las escenas se proporcionó a WordsSideKick.com en colaboración con la National Science Foundation.

El niño del póster para la investigación básica podría ser un alga verde unicelular que se encuentra en lagos y estanques ordinarios. Sorprendentemente, esta criatura sin pretensiones, llamada Chlamydomonas, está ayudando a los científicos a resolver uno de los misterios más complejos e importantes de la ciencia: cómo miles de millones de neuronas en el cerebro interactúan entre sí mediante señales electroquímicas para producir pensamientos, recuerdos y comportamientos, y cómo pueden funcionar las neuronas que funcionan mal. Contribuyen a enfermedades cerebrales como la enfermedad de Parkinson y la esquizofrenia.

Puede parecer contrario a la intuición que un organismo pequeño y relativamente simple que ni siquiera tiene un cerebro podría ayudar a los científicos a entender cómo funciona el cerebro. Pero el valor de este alga para los científicos del cerebro no se basa en su intelecto. Más bien, se basa en su sensibilidad a la luz, es decir, el hecho de que los movimientos de este organismo están controlados por la luz.

Siguiendo la luz

La Chlamydomonasis es sensible a la luz porque debe detectar y moverse hacia la luz para alimentarse a través de la fotosíntesis. Has visto este tipo de sensibilidad a la luz en acción si alguna vez has notado que las algas se acumulan en un lago o estanque en un día soleado.

El secreto del éxito de persecución de la luz de Chlamydomonas es una proteína sensible a la luz, conocida como canalrodopsina, que se encuentra en el límite de la estructura ocular del alga, llamada mancha ocular.

Cuando la luz incide sobre las proteínas sensibles a la luz (mostradas en verde) en una neurona, la neurona se activa.

Cuando la luz incide sobre las proteínas sensibles a la luz (mostradas en verde) en una neurona, la neurona se activa.

Crédito: Ed Boyden y MIT McGovern Institute

Cuando es golpeada por la luz, esta proteína sensible a la luz, que actúa como un panel solar, convierte la luz en una corriente eléctrica. Lo hace cambiando su forma para formar un canal a través del límite de la mancha ocular. Este canal permite que las partículas cargadas positivamente crucen el límite y entren en la región de la mancha ocular. El flujo resultante de partículas cargadas genera una corriente eléctrica que, a través de una cascada de eventos, obliga a los dos flagelos de las algas, estructuras de nado en forma de látigo, a dirigir el organismo hacia la luz.

Las proteínas sensibles a la luz de Chlamydomonas y su capacidad para generar corrientes eléctricas para perseguir la luz fueron descubiertas en 2002 por un equipo de investigación en el Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Texas en Houston que estaba dirigido por John Spudich e incluía a Oleg SIneshchekov y Kwang-Hwan Jung; El equipo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencia. Los descubrimientos de este equipo sobre las proteínas algales siguieron a décadas de investigación por Spudich, un químico biofísico, y sus colaboradores sobre cómo los receptores sensibles a la luz controlan el comportamiento de la natación en muchos tipos de microorganismos.

"Mi interés en Chlamydomonas se derivó de mi interés en los principios básicos de la visión. Es decir, los mecanismos moleculares por los cuales los organismos usan la luz para obtener información sobre su entorno", dice Spudich. "Durante mucho tiempo me ha fascinado la forma en que los microorganismos" ven "el mundo y comenzaron con lo más simple: bacterias con movimientos sensibles a la luz (fototaxis), seguidas de fototaxis en algas más complejas. Nuestro enfoque se ha centrado en la comprensión de la biología básica de estos fenómenos ".

Cuando se publicó la investigación de Spudich sobre la detección de luz por Chlamydomonas, avanzó significativamente la ciencia básica de detección de luz y señalización en microorganismos. Pero en ese momento, nadie sabía que eventualmente catapultaría por casualidad el campo aparentemente lejano de la investigación del cerebro.

Identificando las funciones de las neuronas

Sin embargo, el descubrimiento de Spudich de las proteínas algales sensibles a la luz fue un cambio de juego para un equipo de investigadores del cerebro financiado por la NSF en la Universidad de Stanford que estaba compuesto por Karl Deisseroth, Edward Boyden y Feng Zhang. Trabajando juntos en un equipo interdisciplinario único a principios de la década de 2000, estos investigadores ofrecieron colectivamente experiencia en neurociencia, ingeniería eléctrica, fisiología, química, genética, biología sintética y psiquiatría. (Boyden y Zhang están ahora en el MIT).

El objetivo principal de este equipo fue desarrollar una nueva tecnología para activar y desactivar selectivamente las neuronas objetivo y los circuitos de neuronas en los cerebros de los animales de laboratorio, para que los cambios de comportamiento resultantes se puedan observar en tiempo real; esta información podría usarse para ayudar a identificar las funciones de las neuronas y los circuitos de neuronas dirigidas.

La estrategia detrás de esta tecnología, eventualmente llamada optogenética, es análoga a la que usa alguien que, uno por uno, enciende y apaga sistemáticamente los fusibles (o disyuntores) en una casa para identificar la contribución de cada fusible (o disyuntor) a la potencia de salida de la casa.

Un interruptor de encendido / apagado para las neuronas

Pero a diferencia de los fusibles y los interruptores de circuito domésticos, las neuronas no tienen un interruptor de encendido / apagado fácil de usar. Para desarrollar una forma de controlar las neuronas, el equipo de Stanford tuvo que crear un nuevo tipo de interruptor neuronal. Con el financiamiento de NSF, el equipo desarrolló un interruptor basado en la luz que podría usarse para activar selectivamente los nerones específicos simplemente exponiéndolos a la luz.

¿Por qué el equipo optó por una estrategia basada en la luz? Debido a que la luz, una fuerza casi omnipresente en la naturaleza, tiene el poder de encender y apagar muchos tipos de reacciones eléctricas y químicas importantes que ocurren en la naturaleza, incluida, por ejemplo, la fotosíntesis. Por lo tanto, el equipo razonó que la luz podría, bajo ciertas condiciones, también tener el poder de activar y desactivar la señalización electroquímica de las neuronas cerebrales.

Pero para crear un interruptor de encendido / apagado neuronal basado en la luz, el equipo tuvo que resolver un gran problema: las neuronas no son naturalmente sensibles a la luz. Así que el equipo tuvo que encontrar una manera de impartir un subconjunto de neuronas con sensibilidad a la luz (sin alterar las neuronas no objetivo), para que las neuronas tratadas respondieran selectivamente a un interruptor basado en la luz. Una posible estrategia: instalar en las neuronas objetivo algún tipo de molécula sensible a la luz que no esté presente en ninguna otra parte del cerebro.

El equipo carecía del tipo correcto de molécula sensible a la luz para el trabajo hasta que se anunciaron varios estudios importantes. Estos estudios incluyeron el descubrimiento de Spudich de las proteínas algales sensibles a la luz, así como la investigación dirigida por los biofísicos microbianos Peter Hegemann, Georg Nagel y Ernst Bamberg en Alemania, que mostraron que estas proteínas pueden generar corrientes eléctricas en las células animales, no solo en las algas.

Una neurona activada en una maraña de neuronas.

Una neurona activada en una maraña de neuronas.

Crédito: Ed Boyden y MIT McGovern Institute

Pulsando el interruptor

Estos estudios inspiraron al equipo a insertar las proteínas de algas sensibles a la luz de Spudich en neuronas cultivadas de ratas y ratones a través de un método pionero de ingeniería genética desarrollado por el equipo. Cuando se expusieron a la luz en pruebas de laboratorio en 2004, estas proteínas insertadas generaron corrientes eléctricas, tal como lo hicieron en las algas sensibles a la luz de las cuales se originaron. Pero en lugar de activar los comportamientos de persecución de la luz como lo hacían en las algas, estas corrientes, cuando se generan en las neuronas objetivo, activan la señalización electroquímica normal de las neuronas, según se desee.

En otras palabras, el equipo demostró que al insertar selectivamente las proteínas sensibles a la luz en las neuronas objetivo, podrían impartir a estas neuronas una sensibilidad a la luz para que se activen con la luz. De este modo, el equipo desarrolló los conceptos básicos de optogenética, que Deisseroth define como "la combinación de genética y óptica para controlar eventos bien definidos dentro de células específicas de tejido vivo".

Los miembros del equipo (trabajando juntos o en otros equipos) también desarrollaron herramientas para:

La luz se transmite a las neuronas objetivo de un ratón de laboratorio a través de un cable de fibra que se implanta en su cerebro.

La luz se transmite a las neuronas objetivo de un ratón de laboratorio a través de un cable de fibra que se implanta en su cerebro.

Crédito: Inbal Goshen y Karl Deisseroth
  • Apague las neuronas objetivo y detenga su señalización electroquímica manipulando proteínas sensibles a la luz.
  • Suministre luz a las neuronas objetivo en animales de laboratorio a través de un láser conectado a un cable de fibra implantado en el cerebro.
  • Insertar proteínas sensibles a la luz en varios tipos de neuronas para poder identificar sus funciones.
  • Controla el funcionamiento de cualquier gen en el cuerpo. Dicho control apoya los estudios sobre cómo la expresión de genes en el cerebro puede influir en la señalización neuroquímica y cómo los cambios en los genes clave de las neuronas pueden influir en factores como el aprendizaje y la memoria.

"El cerebro es un misterio, y para resolverlo, necesitamos desarrollar una gran variedad de nuevas tecnologías", dice Boyden. "En el caso de la optogenética, recurrimos a la diversidad del mundo natural para encontrar herramientas para activar y silenciar las neuronas, y encontramos, por casualidad, moléculas que estaban listas para usar".

El poder de la optogenética

Miles de grupos de investigación de todo el mundo están incorporando actualmente técnicas cada vez más avanzadas en optogenética en los estudios de los cerebros de los animales de laboratorio. Dichos estudios están diseñados para revelar cómo los cerebros sanos aprenden y crean recuerdos e identificar las bases neuronales de las enfermedades y trastornos cerebrales como la enfermedad de Parkinson, la ansiedad, la esquizofrenia, la depresión, los accidentes cerebrovasculares, el dolor, el síndrome de estrés postraumático, la adicción a las drogas, la enfermedad obsesiva. Enfermedad compulsiva, agresión y algunas formas de ceguera.

Deisseroth dice: "Lo que emociona a los neurocientíficos acerca de la optogenética es el control sobre eventos definidos dentro de tipos de células definidos en momentos definidos: un nivel de precisión que es más crucial para la comprensión biológica incluso más allá de la neurociencia. información clave sobre la función cerebral normal y los problemas clínicos, como el parkinsonismo ".

De hecho, la optogenética es ahora tan importante para la investigación del cerebro que se considera una de las herramientas críticas para la investigación del cerebro mediante el avance de las neurotecnologías innovadoras a través del avance de la iniciativa de las neurotecnologías innovadoras (BRAIN), que el presidente Obama anunció en abril de 2013.

Además, la optogenética se está aplicando a otros órganos además del cerebro. Por ejemplo, los investigadores financiados por la NSF están trabajando para desarrollar técnicas optogenéticas para tratar la arritmia cardíaca.

Las leyes de las consecuencias involuntarias

Al igual que con muchos avances científicos fundamentales, el desarrollo de la optogenética se basó en muchos estudios de investigación básica que se inspiraron en la curiosidad intelectual de los investigadores que posiblemente no pudieron prever las importantes aplicaciones prácticas de su trabajo. "El desarrollo de la optogenética es todavía un hermoso ejemplo de una biotecnología revolucionaria que surge de una investigación puramente básica", dice Spudich.

Además, muchas de las disciplinas variadas que contribuyeron a la invención de la optogenética, incluida la ingeniería eléctrica, ingeniería genética, física y microbiología, pueden parecer, a primera vista, no relacionadas entre sí y con la ciencia del cerebro.Pero quizás lo más sorprendente fue la importancia de la investigación básica sobre proteínas algales para el desarrollo de la optogenética.

Deisseroth dijo: "La historia de la optogenética muestra que, ocultos en el terreno por el que ya hemos viajado o pasado, pueden residir las herramientas esenciales, dejadas de lado por la modernidad, que nos permitirán trazar el camino a seguir. A veces, estas son descuidadas o arcaicas. Las herramientas son las que más se necesitan: las viejas, las raras, las pequeñas y las débiles. "¡Pensar para cualquiera que intente descartar las algas en un cuerpo de agua turbio como escoria de estanque sin valor!

Nota del editor: Los investigadores descritos en los artículos de Behind the Scenes han sido apoyados por la National Science Foundation, la agencia federal encargada de financiar la investigación básica y la educación en todos los campos de la ciencia y la ingeniería. Todas las opiniones, hallazgos y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las del autor y no necesariamente reflejan los puntos de vista de la National Science Foundation. Ver el archivo detrás de las escenas.


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