El nuevo indicador de voltaje permite imágenes sinápticas ultrasensibles

Bioingenieros y neurocientíficos del Instituto de Neurociencias Wu Tsai de la Universidad de Stanford han desarrollado una herramienta altamente sensible para detectar las señales eléctricas más sutiles de las células cerebrales.

Publicado en la edición de noviembre de 2024 de NeuronaEste avance permite a los científicos, por primera vez, visualizar el espectro completo de comunicación eléctrica entre las células del cerebro humano en tiempo real. Esto mejora drásticamente la capacidad de los investigadores para comprender las señales cerebrales y las anomalías relacionadas con trastornos como el autismo y la epilepsia.

Cada sensación, recuerdo y pensamiento que experimentamos está codificado en señales parpadeantes que recorren incesantemente las vastas redes neuronales de nuestro cerebro. Las neuronas «escuchan» estos susurros eléctricos, y sus dendritas de amplias ramas interceptan mensajes a través de conexiones sinápticas de miles de informantes.

Cada mensaje, transmitido codificado en un paquete de neurotransmisores químicos, desencadena una pequeña respuesta eléctrica en la sinapsis: unas pocas milésimas de voltio o menos, que se desvanece en milisegundos. La mayoría de ellos son apenas perceptibles por la célula.

Pero docenas de mensajes superpuestos pueden sumar algo significativo, desencadenando un «pico» o «potencial de acción» de aproximadamente 100 milivoltios que la célula transmite a todos sus contactos en la red, distribuyendo su propia cascada de mensajes químicos y continuando la transmisión eléctrica. flujo que, por ejemplo, le permite leer esta frase.

Un desafío para los neurocientíficos desde la primera mitad del siglo XX ha sido cómo detectar estas pequeñas señales y decodificar el lenguaje eléctrico del cerebro. Los picos neuronales y, finalmente, los diminutos «potenciales sinápticos» se detectaron por primera vez mediante ingeniosos avances en el registro de electrodos y preparaciones de neuronas aisladas y cortes de cerebro. Pero los neurocientíficos han deseado durante mucho tiempo formas confiables de visualizar el espectro completo del flujo eléctrico de los circuitos cerebrales activos en tiempo real, idealmente en el cerebro humano.

La nueva investigación hace esto posible por primera vez con un nuevo indicador de voltaje codificado genéticamente llamado ASAP5, el último de una familia de sensores de voltaje de vanguardia desarrollados por el ingeniero químico de Stanford Michael Lin, profesor asociado de neurobiología y bioingeniería y miembro del Instituto de Neurociencias Wu Tsai.

Un nuevo nivel de sensibilidad para estudiar la actividad sináptica

El nuevo avance se basa en una colaboración fundamental entre Lin y el biofísico computacional Ron Dror, profesor de Ciencias de la Computación de la Familia Cheriton en el Laboratorio de Inteligencia Artificial de Stanford, que fue catalizada por una subvención inicial en 2017. Ese trabajo fue fundamental para desarrollar los predecesores de ASAP5, ASAP3. y lo antes posible4.

Estas herramientas (y otras desarrolladas por otros laboratorios) se han convertido en medios comunes para observar la actividad eléctrica en neuronas cultivadas y en cerebros de animales como ratones y moscas. Pero hasta ahora estas herramientas se han limitado a detectar picos neuronales y señales sinápticas «subumbrales» más grandes. Llegar al nivel de sensibilidad necesario para detectar incluso los más silenciosos susurros de actividad sináptica seguía siendo un desafío.

«El problema no resuelto era que los indicadores de voltaje no tenían la sensibilidad para detectar eventos sinápticos individuales de manera confiable en las neuronas y no se habían utilizado para observar la señalización entre neuronas humanas», dijo Lin, autor principal del estudio.

El nuevo estudio encontró una solución. Al examinar miles de variantes genéticas, el equipo diseñó una molécula ASAP optimizada para detectar cambios de voltaje específicamente alrededor del voltaje normal en reposo de las neuronas. Con el sensor resultante, los investigadores pudieron detectar incluso la liberación espontánea aleatoria de paquetes individuales de neurotransmisores: la señal sináptica más pequeña posible.

«Debido a la sensibilidad y velocidad mejoradas de ASAP5, podemos detectar los pequeños impulsos eléctricos inducidos por la recepción de vesículas sinápticas individuales, ya sea localmente en la sinapsis o en el cuerpo celular. Esto nos dio la capacidad de observar cómo estos impulsos se propagan desde la sinapsis a el cuerpo celular», afirmó Lin.

Información sobre la señalización neuronal

Estos avances no sólo abordan desafíos de larga data en la detección de voltaje, sino que también permiten nuevos descubrimientos sobre cómo las neuronas se comunican a través de estas sutiles señales eléctricas.

La herramienta ya ha permitido al equipo de investigación realizar nuevas observaciones sobre cómo las células resumen los mensajes de sus informantes más remotos. «Curiosamente, descubrimos que las sinapsis que están más alejadas del cuerpo celular inician respuestas más grandes», explicó Lin.

En otras palabras, las neuronas sintonizan las sinapsis más distantes de sus extensas dendritas para que sean eléctricamente «más ruidosas», de modo que su información no quede ahogada por las sinapsis más cercanas al cuerpo celular.

Promesa contra las enfermedades neurológicas

La capacidad de ASAP5 para detectar potenciales sinápticos causados ​​por la liberación espontánea de paquetes de neurotransmisores individuales (a menudo denominado «ruido» sináptico) no sólo es un marcador impresionante de su sensibilidad, sino que puede tener usos importantes en el estudio de enfermedades neurológicas.

Diversos trastornos del sistema nervioso (desde el autismo hasta la epilepsia) implican cambios en las propiedades básicas de las sinapsis, por lo que permitir a los científicos observar los más pequeños susurros de la señalización sináptica será una herramienta valiosa para que los científicos comprendan, diagnostiquen y, en última instancia, traten estos trastornos. .

El equipo de investigación probó la herramienta en múltiples preparaciones de laboratorio comunes y organismos modelo, incluidas células cerebrales humanas cultivadas en laboratorio.

«Establecimos que podíamos detectar eventos sinápticos en neuronas humanas derivadas de células madre humanas, y podíamos visualizar la coordinación entre múltiples neuronas humanas, abriendo la posibilidad de evaluar rápidamente cómo las mutaciones asociadas con enfermedades afectan la actividad de las sinapsis y la capacidad de las neuronas. disparar dentro de las redes», dijo Lin.

El trabajo se realizó en colaboración con Tom Clandinin, Tom Südhof, Jun Ding y Marius Wernig en Stanford, y con Ed Boyden (MIT), Na Ji y Dan Feldman (Berkeley), Peyman Golshani (UCLA) y Stéphane Dieudonné (École Normale). Superior). Los dos coautores principales fueron Ph.D. el estudiante Alex Hao y el postdoctorado Sungmoo Lee.