Hace casi 20 años, los científicos desarrollaron formas de estimular o silenciar las neuronas encendiéndolas con luz. Esta técnica, conocida como optogenética, permite a los investigadores descubrir las funciones de neuronas específicas y cómo se comunican con otras neuronas para formar circuitos.
Sobre la base de esa técnica, los investigadores del MIT y la Universidad de Harvard ahora han ideado una forma de lograr cambios a largo plazo en la actividad de las neuronas. Con su nueva estrategia, pueden usar la exposición a la luz para cambiar la capacitancia eléctrica de las membranas de las neuronas, lo que altera su excitabilidad (qué tan fuerte o débilmente responden a las señales eléctricas y fisiológicas).
Los cambios en la excitabilidad de las neuronas se han relacionado con muchos procesos en el cerebro, incluido el aprendizaje y el envejecimiento, y también se han observado en algunos trastornos cerebrales, incluida la enfermedad de Alzheimer.
«Esta nueva herramienta está diseñada para ajustar la excitabilidad de las neuronas hacia arriba y hacia abajo de una manera controlada por la luz y a largo plazo, lo que permitirá a los científicos establecer directamente la causalidad entre la excitabilidad de varios tipos de neuronas y los comportamientos de los animales», dice Xiao Wang, el Thomas D. y Virginia Cabot Profesor Asistente de Química en el MIT, y miembro del Instituto Broad del MIT y Harvard. «La aplicación futura de nuestro enfoque en modelos de enfermedades dirá si el ajuste fino de la excitabilidad de las neuronas podría ayudar a restablecer los circuitos cerebrales anormales a la normalidad».
Wang y Jia Liu, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard, son los autores principales del artículo, que aparece hoy en Avances de la ciencia.
Chanan Sessler, estudiante de posgrado del Departamento de Química del MIT; Yiming Zhou, un postdoctorado en el Instituto Broad; y Wenbo Wang, estudiante de posgrado en Harvard, son los autores principales del artículo.
Manipulación de membranas
La optogenética es una herramienta que utilizan los científicos para manipular la actividad de las neuronas, diseñándolas para que expresen canales iónicos sensibles a la luz. Cuando esas neuronas diseñadas se exponen a la luz, los cambios en el flujo de iones a través de los canales suprimen o aumentan la actividad de las neuronas.
«Al usar la luz, puedes abrir o cerrar estos canales iónicos y eso, a su vez, excitará o silenciará las neuronas. Eso permite una respuesta rápida en tiempo real, pero significa que si quieres controlar estas neuronas, tienes iluminándolos constantemente», dice Sessler.
El equipo del MIT y Harvard se dispuso a modificar la técnica para que pudieran generar cambios más duraderos en la excitabilidad, en lugar de una activación o supresión transitoria de la actividad. Para ello, se centraron en alterar la capacitancia de la membrana celular, que es un determinante clave de la capacidad de la membrana para conducir electricidad.
Cuando aumenta la capacitancia de la membrana celular, las neuronas se vuelven menos excitables, es decir, es menos probable que disparen un potencial de acción en respuesta a la entrada de otras células. Cuando la capacitancia disminuye, las neuronas se vuelven más excitables.
«La excitabilidad de las neuronas se rige por dos propiedades de la membrana: la conductividad y la capacitancia. Si bien muchos estudios se han centrado en la conductividad de la membrana ejecutada por los canales iónicos, los procesos de mielinización que ocurren naturalmente sugieren que modular la capacitancia de la membrana es otra forma efectiva de ajustar la excitabilidad de las neuronas durante el desarrollo del cerebro. aprendizaje y envejecimiento. Entonces, nos preguntamos si podríamos ajustar la excitabilidad de las neuronas cambiando la capacitancia de la membrana», dice Liu.
Mientras realizaba un posdoctorado en la Universidad de Stanford, Liu y sus colegas demostraron que podían alterar la excitabilidad de las neuronas induciéndolas a ensamblar polímeros conductores o aislantes en sus membranas. En ese estudio, publicado en 2020, Liu usó una enzima llamada peroxidasa para ensamblar los polímeros. Sin embargo, ese enfoque no permitía un control preciso sobre dónde se acumulaban los polímeros. También planteó cierto riesgo porque la reacción requiere peróxido de hidrógeno, que puede dañar las células.
Para superar esas limitaciones, el laboratorio de Liu en Harvard se asoció con el laboratorio del MIT de Wang para probar un nuevo enfoque. En lugar de utilizar peroxidasa, los investigadores utilizaron una proteína sensible a la luz modificada genéticamente que puede catalizar la formación de polímeros.
Trabajando con neuronas cultivadas en una placa de laboratorio, los investigadores diseñaron las células para expresar esta proteína sensible a la luz, conocida como miniSOG. Cuando se activa con longitudes de onda de luz azul, miniSOG produce moléculas altamente reactivas llamadas especies reactivas de oxígeno. Al mismo tiempo, los investigadores exponen las células a bloques de construcción de un polímero conductor, conocido como PANI, o un polímero aislante, conocido como PDAB.
Después de varios minutos de exposición a la luz, las especies reactivas de oxígeno estimulan esos bloques de construcción para ensamblarse en PDAB o PANI.
Usando una técnica conocida como pinzamiento de parche de células enteras, los investigadores encontraron que las neuronas con polímeros PANI conductores se volvieron menos excitables, mientras que las neuronas con polímeros PDAB aislantes se volvieron más excitables. También encontraron que las exposiciones más largas a la luz producían cambios más grandes en la excitabilidad.
«La ventaja de la polimerización optogenética es el control temporal preciso sobre la reacción de polimerización, lo que permite el ajuste predecible paso a paso de las propiedades de la membrana», dice Zhou.
cambios duraderos
Los investigadores demostraron que los cambios en la excitabilidad duraron hasta tres días, que es el tiempo que pudieron mantener vivas las neuronas en su placa de laboratorio. Ahora están trabajando en adaptar esta técnica para que pueda usarse en rodajas de tejido cerebral y luego, esperan, en cerebros de animales como ratones o el gusano. C. elegans.
Dichos estudios en animales podrían ayudar a arrojar luz sobre cómo los cambios en la excitabilidad de las neuronas afectan trastornos como la esclerosis múltiple y la enfermedad de Alzheimer, dicen los investigadores.
«Si tenemos una determinada población de neuronas que sabemos que tiene una excitabilidad mayor o menor en una enfermedad específica, entonces podemos potencialmente modular esa población mediante la transducción de ratones con una de estas proteínas fotosensibilizadoras que solo se expresa en ese tipo de neurona, y luego ver si eso tiene el efecto deseado en el comportamiento», dice Wenbo Wang. «En un futuro cercano, lo usaremos más como modelo para investigar esas enfermedades, pero se pueden imaginar posibles aplicaciones terapéuticas».
La investigación fue financiada por el Programa de Becarios Searle, el Centro Stanley para la Investigación Psiquiátrica en el Instituto Broad, el Programa de Jóvenes Investigadores de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Universidad de Harvard, y la Universidad de Harvard. Fondo competitivo de Dean para becas prometedoras.
