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La proteína fluorescente ilumina el funcionamiento interno del cerebro
Las interacciones entre neuronas involucran señales tanto químicas como eléctricas. Durante décadas, los neurocientíficos han buscado una forma no invasiva de medir el componente eléctrico. Lograr esto podría facilitar el estudio de cómo funciona el cerebro y cómo las enfermedades neurológicas afectan su funcionamiento.
Encender: La aplicación de voltaje a las neuronas que se muestran aquí provocó un aumento de la fluorescencia.
Un enfoque prometedor es el seguimiento de la actividad eléctrica neuronal con fluorescencia, que se puede integrar en las células con bastante facilidad a través de la genética o al unirse a anticuerpos, pero que puede ser tóxico y lento para funcionar. La semana pasada, los investigadores presentaron un nuevo candidato, una proteína fluorescente de un microbio del Mar Muerto, que parece estar mejor equipada para el desafío.
La proteína, llamada archaerhodopsin-3, o Arch, se descubrió hace más de 10 años, pero los científicos recién ahora están comenzando a darse cuenta de su potencial como herramienta de investigación. En un estudio publicado el año pasado, los investigadores utilizaron la luz para desencadenar una respuesta eléctrica de Arch que silenciaba las neuronas hiperactivas, un enfoque que podría conducir a nuevas terapias para la epilepsia y otros trastornos convulsivos.
En este estudio, los investigadores tomaron el rumbo opuesto y utilizaron electricidad para provocar cambios en la fluorescencia de Arch. El enfoque podría conducir a métodos más precisos para registrar señales eléctricas del cerebro.
Los resultados, publicados en Métodos de la naturaleza , indican que Arch podría ser el sensor de voltaje no invasivo que los neurocientíficos estaban buscando: no es tóxico para las células y es lo suficientemente sensible y rápido para detectar los rápidos cambios eléctricos que acompañan a la actividad neuronal.
Parece un orden de magnitudes mejor que cualquiera de los otros métodos de imágenes ópticas que he visto antes, dice Darcy Peterka , neurocientífico de la Universidad de Columbia que no participó en el estudio.
El método estándar para registrar la actividad eléctrica de las neuronas en un cultivo celular, que implica insertar un electrodo en la celda, sigue siendo el más preciso para medir el voltaje en un solo punto de la celda. Pero perforar una neurona con un electrodo finalmente la mata, mientras que Arch permitiría a los investigadores seguir la señal eléctrica a medida que se propaga por la célula. También permitiría a los investigadores registrar desde la misma celda una y otra vez, permitiendo experimentos a largo plazo que no serían posibles con el método estándar.
Realmente depende de las preguntas científicas que intente responder, dice Adam Cohen , investigadora en biofísica de la Universidad de Harvard y autora principal del nuevo estudio.
El estudio se realizó en neuronas de ratón cultivadas, pero Cohen y sus colegas planean usar Arch para medir la actividad neuronal en animales vivos, comenzando con organismos simples, como el pez cebra y el gusano. C. elegans . Una ventaja de estos animales es que son transparentes, lo que facilita ver la señal fluorescente a través de un microscopio.
Arch también podría resultar útil para obtener imágenes de señales eléctricas en el cerebro de los mamíferos, especialmente para experimentos en ratones, que podrían modificarse genéticamente para expresar la proteína en neuronas específicas o en momentos específicos del desarrollo, por ejemplo.
El desafío de transferir el enfoque a los animales es asegurarse de que la señal fluorescente se mantenga fuerte y constante. En el cerebro vivo, la luz es absorbida, por ejemplo, por la sangre, por lo que se pierde luz, dice Ed Boyden , el investigador del MIT que dirigió el estudio que utilizó Arch para silenciar neuronas.
La fluorescencia emitida por Arch tampoco es tan brillante como algunos de los otros tintes disponibles, pero su baja toxicidad hace que esto sea menos preocupante, porque los investigadores podrían compensar utilizando concentraciones más altas. El hecho de que consiguieran que funcionara bien en las neuronas de ratón es un buen augurio, dice Peterka.