Nueva herramienta revela lo que sucede en el cerebro cuando aprendemos

Los científicos de Scripps Research han desarrollado una nueva herramienta para monitorear la plasticidad cerebral: la forma en que nuestros cerebros se remodelan y se adaptan físicamente a medida que aprendemos y experimentamos cosas, desde ver una película hasta aprender una nueva canción o idioma. Su enfoque, que mide las proteínas producidas por tipos individuales de células cerebrales, tiene el potencial de responder preguntas básicas sobre cómo funciona el cerebro y arrojar luz sobre numerosas enfermedades cerebrales en las que la plasticidad falla.

Experimentos anteriores en varios laboratorios ya han revelado cómo la actividad cerebral estimula cambios en la expresión génica en las neuronas, un paso inicial en la plasticidad. Los experimentos del equipo, descritos en El Diario de la Neurociencia el 7 de septiembre, concéntrese en el siguiente paso esencial en la plasticidad, la traducción del código genético en proteínas.

«Todavía no comprendemos todos los mecanismos que subyacen a cómo las células de nuestro cerebro cambian en respuesta a las experiencias, pero este enfoque nos brinda una nueva ventana al proceso», dice Hollis Cline, Ph.D., profesor de Hahn y presidente de Neurociencia en Scripps Research y autor principal del nuevo trabajo.

Cuando aprendes algo nuevo, suceden dos cosas: en primer lugar, las neuronas transmiten inmediatamente señales eléctricas a lo largo de nuevas rutas en tu cerebro. Luego, con el tiempo, esto conduce a cambios en la estructura física de las células y sus conexiones en el cerebro. Pero los científicos se han preguntado durante mucho tiempo qué sucede entre estos dos pasos. ¿Cómo es que esta actividad eléctrica en las neuronas finalmente induce al cerebro a cambiar de manera más duradera? Más aún, ¿cómo y por qué esta plasticidad disminuye con la edad y ciertas enfermedades?

Anteriormente, los investigadores estudiaron cómo los genes en las neuronas se activan y desactivan en respuesta a la actividad cerebral, con la esperanza de obtener información sobre la plasticidad. Con el advenimiento de las tecnologías de secuenciación de genes de alto rendimiento, el seguimiento de genes de esta manera se ha vuelto relativamente fácil. Pero la mayoría de esos genes codifican proteínas, los verdaderos caballos de batalla de las células, cuyos niveles son más difíciles de monitorear. Pero Cline, en estrecha colaboración con el profesor de Scripps John Yates III, Ph.D., y el profesor asociado Anton Maximov, Ph.D., quería observar directamente cómo cambian las proteínas en el cerebro.

«Queríamos saltar al fondo de la piscina y ver qué proteínas son importantes para la plasticidad del cerebro», dice Cline.

El equipo diseñó un sistema en el que podían introducir un aminoácido especialmente etiquetado, uno de los componentes básicos de las proteínas, en un tipo de neurona a la vez. A medida que las células produjeran nuevas proteínas, incorporarían este aminoácido, azidonorleucina, en sus estructuras. Al rastrear qué proteínas contenían azidonorleucina a lo largo del tiempo, los investigadores pudieron monitorear las proteínas recién creadas y distinguirlas de las proteínas preexistentes.

El grupo de Cline usó la azidonorleucina para rastrear qué proteínas se produjeron después de que los ratones experimentaran un pico grande y generalizado en la actividad cerebral, imitando lo que sucede a menor escala cuando experimentamos el mundo que nos rodea. El equipo se centró en las neuronas glutamatérgicas corticales, una clase importante de células cerebrales responsables del procesamiento de la información sensorial.

Después del aumento de la actividad neuronal, los investigadores descubrieron niveles de 300 proteínas diferentes cambiadas en las neuronas. Mientras que dos tercios aumentaron durante el pico de actividad cerebral, la síntesis del tercio restante disminuyó. Al analizar las funciones de estas llamadas «proteínas de plasticidad candidatas», Cline y sus colegas pudieron obtener una visión general de cómo podrían afectar la plasticidad. Muchas de las proteínas están relacionadas con la estructura y la forma de las neuronas, por ejemplo, así como con la forma en que se comunican con otras células. Estas proteínas sugirieron formas en que la actividad cerebral puede comenzar a afectar de inmediato las conexiones entre las células.

Además, varias de las proteínas estaban relacionadas con la forma en que el ADN se empaqueta dentro de las células; cambiar este empaque puede cambiar a qué genes una célula puede acceder y usar durante un largo período de tiempo. Esto sugiere formas en que un pico muy corto en la actividad cerebral puede conducir a una remodelación más sostenida dentro del cerebro.

«Este es un mecanismo claro por el cual un cambio en la actividad cerebral puede conducir a ondas de expresión génica durante muchos días», dice Cline.

Los investigadores esperan utilizar este método para descubrir y estudiar proteínas de plasticidad candidatas adicionales, por ejemplo, aquellas que podrían cambiar en diferentes tipos de células cerebrales después de que los animales vean un nuevo estímulo visual. Cline dice que su herramienta también podría ofrecer información sobre las enfermedades cerebrales y el envejecimiento, a través de comparaciones de cómo la actividad cerebral afecta la producción de proteínas en cerebros jóvenes versus viejos y sanos versus enfermos.

Además de Cline, Yates y Maximov, los autores del estudio incluyen a Lucio Schiapparelli, Yi Xie, Pranav Sharma, Daniel McClatchy y Yuanhui Ma de Scripps Research.