Estudiar la actividad de las células cerebrales nunca ha sido sencillo. El sistema nervioso central es increíblemente complejo, y desentrañar la densa red de señales bioeléctricas de su interior es como intentar armar un rompecabezas de 85 mil millones de piezas. Uno de los mayores desafíos en esta empresa ha sido que hasta ahora los investigadores sólo habían podido medir las señales que producen las células cerebrales individuales, no las que reciben.
Ahora, una proteína con un nombre muy inusual ha permitido a los neurocientíficos estudiar las señales que entran en las células cerebrales.
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Creando la proteína iGluSnFR4
La proteína cuidadosamente modificada, desarrollada por un equipo del Instituto Allen y el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes, registra las complejas señales químicas que las neuronas eléctricamente activas utilizan para comunicarse. El más común de esos químicos se llama glutamato. Es esencial para procesos cerebrales como el pensamiento y la memoria.
Debido a que detecta el nivel de glutamato liberado por las neuronas, se le ha denominado iGluSnFR4 (‘rastreador de pegamento’). Un nuevo artículo de Nature Methods muestra la última generación de proteína detectora de pegamento, que supera importantes barreras a las que se enfrentaban las versiones anteriores.
Seguimiento de señales en el cerebro
Para comprender por qué una herramienta como el rastreador de pegamento ha sido tan buscada en la neurociencia, es importante comprender cómo funcionan las señales cerebrales. La salida de una sola neurona es (relativamente) sencilla de entender. Estas células disparan señales eléctricas que viajan a lo largo de axones en forma de cables hasta que llegan al área de transmisión de la neurona, llamada sinapsis, donde se convierten en mensajeros químicos llamados neurotransmisores, como el glutamato, que pueden “saltar” la brecha entre las células.
Lo que desencadena esa señal eléctrica y luego química es mucho más complejo: las neuronas reciben entradas de neurotransmisores de potencialmente miles de otras células cerebrales. Las neuronas interpretan estas señales y determinan si deben emitir su propia señal eléctrica en respuesta. Sin embargo, estos aportes químicos siempre han sido demasiado débiles y rápidos para poder medirlos de manera confiable.
Antes de las proteínas detectoras de pegamento, los neurocientíficos eran esencialmente incapaces de escuchar la mitad de la conversación eléctrica que ocurre entre las células de nuestro cerebro.
“Los neurocientíficos tienen formas bastante buenas de medir las conexiones estructurales entre las neuronas, y en experimentos separados, podemos medir lo que dicen algunas de las neuronas en el cerebro, pero no hemos sido buenos combinando estos dos tipos de información. Es difícil medir lo que las neuronas dicen a qué otras neuronas”, dijo Kaspar Podgorski, coautor del estudio y neurocientífico del Instituto Allen, en un comunicado de prensa.
Las proteínas detectoras de pegamento cambian eso.
“Es como leer un libro con todas las palabras revueltas y no entender el orden de las palabras o cómo están dispuestas”, dijo Podgorski. “Siento que lo que estamos haciendo aquí es agregar conexiones entre esas neuronas y, al hacerlo, ahora entendemos el orden de las palabras en las páginas y lo que significan”.
Escuchando las conversaciones ocultas del cerebro
En el nuevo artículo, el equipo muestra un par de proteínas, iGluSnFR4f e iGluSnFR4s, que miden señales rápidas y aquellas producidas por grandes grupos de células cerebrales, respectivamente.
El equipo demostró que las proteínas podían medir la actividad cerebral del ratón en una serie de experimentos, indicando la actividad a través de una señal fluorescente de la que se podían obtener imágenes con un microscopio.
Los autores esperan que las herramientas puedan ayudar a los neurocientíficos a comprender los cálculos que permiten que el cerebro funcione. Las herramientas también podrían ayudar a comprender qué le sucede a nuestro cerebro cuando la señalización del glutamato se altera en afecciones como la esquizofrenia y la epilepsia.
“Lo que hemos inventado aquí es una forma de medir la información que llega a las neuronas desde diferentes fuentes, y esa ha sido una parte fundamental que falta en la investigación en neurociencia”, concluyó Podgorski.
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