Una nueva técnica de optogenética minimiza el daño térmico a las neuronas

Dos proteínas: Equipar las neuronas corticales con un sensor de calcio (rojo) y una proteína opsina (verde) permite a los investigadores estudiar los circuitos neuronales en ratones.

POR NIKO MCCARTY

Fuente: Spectrum | 08/07/2021

Fotografía: Autism Spectrum

Una nueva proteína diseñada para experimentos de optogenética requiere menos luz que las técnicas tradicionales para excitar o inactivar neuronas, reduciendo el daño térmico al tejido cerebral.

La proteína, descrita en eLife en mayo, mejora un método llamado optogenética de dos fotones, que permite a los investigadores estudiar los circuitos neuronales estimulándolos y monitorizando simultáneamente su actividad, incluso en ratones vivos. Podría ayudar a los investigadores a trazar un mapa de los circuitos neuronales que conectan diferentes regiones cerebrales relacionadas con el autismo, como la amígdala, el córtex prefrontal y el cerebelo.

Para emplear la optogenética de dos fotones, los científicos primero diseñan células en el cerebro de un animal para que expresen dos proteínas: una opsina, que activa o silencia las neuronas en respuesta a pulsos de luz azul, y un sensor de calcio, que emite luz roja cuando se une a los iones de calcio; estos iones fluyen hacia una neurona justo antes de que se dispare. Los investigadores pueden entonces utilizar dos láseres distintos para estimular una serie programada de neuronas individuales y luego controlar sus niveles de actividad. En cambio, la optogenética tradicional se basa en luces LED para encender miles de neuronas a la vez.

"Estimulando neuronas individuales, podemos empezar a hacer preguntas sobre la codificación de la información en el cerebro de una manera que es imposible con la optogenética de campo amplio y de un solo fotón", dice Ofer Yizhar, profesor de neurobiología del Instituto de Ciencias Weizmann (Israel), que ideó la nueva proteína.

Las proteínas utilizadas anteriormente en la optogenética de dos fotones suelen tener un solapamiento espectral, lo que significa que el láser rojo puede activar inadvertidamente las opsinas sensibles a la luz. Y algunas de las proteínas opsinas han presentado otro desafío: requieren fuertes pulsos de luz para activarse, lo que puede calentar y dañar el tejido cerebral.

Menos luz

Yizhar y sus colegas crearon una versión modificada de una proteína opsina ya existente, añadiéndole una breve secuencia peptídica que la dirige al soma, o cuerpo celular, de las neuronas, y una etiqueta fluorescente, que ayuda al equipo a visualizar las células manipuladas. La proteína original, CoChR, se expresa en todas las dendritas y axones de las neuronas, lo que dificulta su detección y orientación. Llamaron a la nueva proteína stCoChR, o "rodopsina de canal dirigida al soma".

El equipo diseñó ratones para que expresaran la stCoChR en las neuronas piramidales de la corteza cerebral, con o sin un sensor de calcio existente llamado jRCaMP1a.

Los investigadores también desarrollaron y probaron un sistema láser que puede suministrar más energía a las neuronas por pulso que los láseres típicos, pero con una tasa de repetición menor. Descubrieron que la energía necesaria para estimular las neuronas estaba muy por debajo del umbral que provoca daños en el tejido cerebral. Además, la opsina modificada podía estimularse con mayor eficacia que las versiones anteriores y no presentaba solapamiento espectral con el sensor de calcio.

"Ahora que tenemos este canal de rodopsina que es realmente sensible, podemos reducir la potencia de la luz", dice Yizhar. "Esto significa que podemos dividir el láser en múltiples beamlets, y ahora podemos tener 100 veces más beamlets para estimular 100 veces más neuronas, lo que nos da mucha más flexibilidad para generar prácticamente cualquier patrón que queramos estimular".

La técnica tiene algunas limitaciones: Los sensores de calcio son una medida indirecta de la actividad neuronal, por lo que el láser no puede captar todos los potenciales de acción. Yizhar dice que espera utilizar indicadores de voltaje -proteínas que detectan directamente las cargas eléctricas en las neuronas- en futuros experimentos.

Con la proteína opsina mejorada, él y sus colegas también planean diseccionar los circuitos neuronales que subyacen al aprendizaje y al autismo.

"Estamos interesados en la corteza prefrontal y en los modelos de conectividad neuronal del autismo", dice Yizhar. "El tipo de preguntas que nos interesan son cómo está conectada la red prefrontal, cómo cambia en el proceso de aprendizaje y también cómo cambia como resultado de las mutaciones relacionadas con el autismo".

Cite este artículo: https://doi.org/10.53053/IGVE9122

https://www.spectrumnews.org/news/toolbox/new-optogenetics-technique-minimizes-thermal-damage-to-neurons/