Una nueva herramienta optogenética permite utilizar la luz para manipular la excitabilidad neuronal

Basándose en esa técnica, investigadores del MIT y la Universidad de Harvard 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 (cómo responden con mayor o menor fuerza 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 neuronal hacia arriba y hacia abajo de forma controlable por 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 animales. La aplicación futura de nuestro enfoque en modelos de enfermedad dirá si el ajuste fino de la excitabilidad neuronal podría ayudar a restablecer los circuitos cerebrales anormales a la normalidad”, explica Xiao Wang, profesor adjunto de Química Thomas D. y Virginia Cabot en el MIT, y miembro del Instituto Broad del MIT y Harvard. 

Manipulación de membranas

La optogenética es una herramienta que los científicos utilizan para manipular la actividad de las neuronas, modificándolas para que expresen canales iónicos sensibles a la luz. Cuando esas neuronas modificadas se exponen a la luz, los cambios en el flujo de iones a través de los canales suprimen o aumentan la actividad neuronal.

“Con la luz se pueden abrir o cerrar estos canales iónicos, lo que a su vez excitará o silenciará las neuronas. Eso permite una respuesta rápida en tiempo real, pero significa que si se quiere controlar estas neuronas, hay que estar iluminándolas constantemente”, afirma Chanan Sessler, estudiante de postgrado del MIT en el Departamento de Química. 

El equipo del MIT y Harvard se propuso modificar la técnica para poder 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 la electricidad.

Cuando la capacitancia de la membrana celular aumenta, las neuronas se vuelven menos excitables, es decir, menos propensas a disparar 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. Aunque muchos estudios se han centrado en la conductividad de la membrana ejecutada por los canales iónicos, los procesos naturales de mielinización sugieren que la modulación de la capacitancia de la membrana es otra forma eficaz de sintonizar la excitabilidad neuronal durante el desarrollo, el aprendizaje y el envejecimiento del cerebro. Así que nos preguntamos si podríamos ajustar la excitabilidad neuronal modificando la capacitancia de la membrana”, explica Jia Liu, profesor adjunto de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard. 

Durante su estancia 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 utilizó una enzima llamada peroxidasa para ensamblar los polímeros. Sin embargo, ese método no permitía controlar con precisión dónde se acumulaban los polímeros. También planteaba cierto riesgo porque la reacción requiere peróxido de hidrógeno, que puede dañar las células.

Para superar estas limitaciones, el laboratorio de Liu en Harvard se asoció con el laboratorio de Wang en el MIT para probar un nuevo método. En lugar de utilizar peroxidasa, los investigadores emplearon 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 modificaron las células para que expresaran esta proteína sensible a la luz, conocida como miniSOG. Cuando se activa con longitudes de onda de luz azul, la miniSOG produce moléculas altamente reactivas denominadas especies reactivas del oxígeno. Al mismo tiempo, los investigadores exponen las células a bloques de construcción de un polímero conductor, conocido como PANI, o de un polímero aislante, conocido como PDAB. Tras varios minutos de exposición a la luz, las especies reactivas del oxígeno estimulan la formación de PDAB o PANI.

Utilizando una técnica conocida como pinza de parche de células enteras, los investigadores descubrieron que las neuronas con polímeros conductores PANI se volvían menos excitables, mientras que las neuronas con polímeros aislantes PDAB se volvían más excitables. También observaron que las exposiciones más prolongadas a la luz producían mayores cambios en la excitabilidad.

“La ventaja de la polimerización optogenética es el control temporal preciso de la reacción de polimerización, que permite un ajuste escalonado predecible de las propiedades de la membrana”, afirma Yiming Zhou, postdoctorado en el Instituto Broad. 

Cambios duraderos

Los investigadores demostraron que los cambios en la excitabilidad duraban hasta tres días, el tiempo que podían mantener vivas las neuronas en su placa de laboratorio. Ahora están trabajando en la adaptación de esta técnica para poder utilizarla en cortes de tejido cerebral y después, esperan, en cerebros de animales como ratones o el gusano C. elegans.

Según los investigadores, estos estudios en animales podrían ayudar a esclarecer cómo afectan los cambios en la excitabilidad de las neuronas a trastornos como la esclerosis múltiple y la enfermedad de Alzheimer.

“Si tenemos una población neuronal determinada que sabemos que tiene una excitabilidad mayor o menor en una enfermedad específica, entonces podemos modular potencialmente esa población transduciendo ratones con una de estas proteínas fotosensibilizadoras que sólo se expresa en ese tipo de neurona, y luego ver si eso tiene el efecto deseado en el comportamiento. En un futuro próximo, lo estamos utilizando más como modelo para investigar esas enfermedades, pero se podrían imaginar posibles aplicaciones terapéuticas”, concluye Wenbo Wang, estudiante de posgrado en Harvard. 

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