Cómo los científicos pueden controlar los circuitos cerebrales, el comportamiento y las emociones mediante la luz
(arriba a la izquierda) Los componentes de Opto-vTrap se expresaron en las vesículas y el citoplasma. (arriba a la derecha) La luz azul brillante provoca una agrupación de vesículas y una inhibición completa de la exocitosis. Una vez que se apaga la luz azul, las vesículas se desagrupan y vuelven rápidamente a su estado normal. Se propone que Opto-vTrap pueda servir como un silenciador optogenético de próxima generación para controlar la actividad y el comportamiento del cerebro con efectos de confusión mínimos. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas
El control de la transmisión y recepción de señales dentro de los circuitos cerebrales es necesario para que los neurocientíficos logren una mejor comprensión de las funciones del cerebro. La comunicación entre las neuronas y las células gliales está mediada por varios neurotransmisores que se liberan de las vesículas a través de la exocitosis. Por lo tanto, la regulación de la exocitosis vesicular puede ser una posible estrategia para controlar y comprender los circuitos cerebrales.
Sin embargo, ha sido difícil controlar libremente la actividad de las células cerebrales de manera espaciotemporal utilizando técnicas preexistentes. Uno es un enfoque indirecto que implica controlar artificialmente el potencial de membrana de las células, pero tiene problemas para cambiar la acidez del entorno circundante o causar fallas de funcionamiento no deseadas de las neuronas. Además, no es aplicable para su uso en células que no responden a los cambios de potencial de membrana, como las células gliales.
Para abordar este problema, investigadores de Corea del Sur dirigidos por el Director C. Justin LEE en el Centro de Cognición y Socialidad del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) y el profesor HEO Won Do del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) desarrollaron Opto-vTrap, un sistema de inhibición reversible e inducible por la luz que puede atrapar temporalmente las vesículas para que no se liberen de las células cerebrales. Opto-vTrap se dirige directamente a los transmisores que contienen vesículas y se puede usar en varios tipos de células cerebrales, incluso en las que no responden a los cambios de potencial de membrana.
Después de la inyección del virus Opto-vTrap, la corriente postsináptica excitatoria evocada (EPSC ) se midió en cortes de cerebro de ratón para probar si la activación de Opto-vTrap puede inhibir selectivamente la transmisión sináptica. En el ratón de control, no se observaron cambios en la amplitud del EPSC evocado antes, con la luz encendida y después de las condiciones de la luz encendida. En cortes de cerebro inyectados con Opto-vTrap, la amplitud del EPSC evocado disminuyó durante el encendido, que se recuperó rápidamente después del apagado. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas
Para controlar directamente las vesículas exocitóticas, el equipo de investigación aplicó una tecnología que desarrollaron previamente en 2014, llamada inhibición reversible activada por luz mediante trampa ensamblada (LARIAT). Esta plataforma puede inactivar varios tipos de proteínas cuando se ilumina con luz azul al atrapar instantáneamente las proteínas objetivo, como un lazo. Opto-vTrap se desarrolló aplicando esta plataforma LARIAT a la exocitosis de vesículas. Cuando las células o tejidos que expresan Opto-vTrap se iluminan con luz azul, las vesículas forman grupos y quedan atrapadas dentro de las células, lo que inhibe la liberación de transmisores.
Lo más importante es que la inhibición desencadenada con esta nueva técnica es temporal, lo cual es muy importante para la investigación en neurociencia. Otras técnicas anteriores que se dirigen a las proteínas de fusión de vesículas las dañan permanentemente y desactivan la neurona objetivo hasta por 24 horas, lo que no es apropiado para muchos experimentos de comportamiento con limitaciones de tiempo breves. En comparación, las vesículas que se inactivaron con Opto-vTrap se desagruparon en unos 15 minutos y las neuronas recuperaron sus funciones completas en una hora.
Después de la inyección del virus Opto-vTrap, la corriente de entrada rápida inducida por glía (gFIC) se midió en rebanadas de cerebro de ratón para probar si Opto-vTrap puede inhibir selectivamente la liberación vesicular en células no excitables como los astrocitos. En el ratón de control, se observó que la frecuencia de gFIC aumenta después del tratamiento con TFLLR. En cortes de cerebro inyectados con Opto-vTrap, se observó que el aumento inducido por TFLLR en la frecuencia de los gFIC se evitó por completo mediante la activación de Opto-vTrap, que se recuperó rápidamente después de apagarse. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas
Opto-vTrap controla directamente la liberación de los transmisores de señales, lo que permite a los investigadores controlar libremente la actividad cerebral. El equipo de investigación verificó la usabilidad de Opto-vTrap en células cultivadas y cortes de tejido cerebral. Además, probaron la técnica en ratones vivos, lo que les permitió eliminar temporalmente la memoria del miedo de los animales condicionados por el miedo.
En el futuro, Opto-vTrap se usará para descubrir interacciones complejas entre múltiples partes del cerebro. Será una herramienta muy útil para estudiar cómo ciertos tipos de células cerebrales afectan la función cerebral en diferentes circunstancias.
El día 1, el ratón fue expuesto a estimulación eléctrica para inducir el condicionamiento del miedo contextual. Los días 2 y 3, el ratón se volvió a exponer al mismo contexto que el día 1. Si el ratón recuerda el recuerdo del miedo, permanecerá congelado en el lugar. Por el contrario, si el ratón no puede recuperar el recuerdo del miedo, se moverá normalmente en presencia del contexto. Durante el experimento de activación de Opto-vTrap en la prueba 2 el día 2, se observó que el comportamiento de congelación disminuyó, lo que se revierte cuando se apaga la luz. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas
El profesor Heo declaró: «Dado que Opto-vTrap se puede usar en varios tipos de células, se espera que sea útil en varios campos de la investigación científica del cerebro». Explicó: «Planeamos realizar un estudio para descubrir las funciones espaciotemporales del cerebro en varios tipos de células cerebrales en un entorno específico utilizando la tecnología Opto-vTrap».
«La usabilidad de Opto-vTrap puede extenderse no solo a la neurociencia sino también a nuestras vidas, » explica el director Lee. Añadió: «Opto-vTrap contribuirá no solo a dilucidar el mapeo de circuitos cerebrales, sino también al tratamiento de la epilepsia, el tratamiento de espasmos musculares y las tecnologías de expansión del tejido de la piel».
Esta investigación se publicó el 30 de noviembre en la revista Neuron. .
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El sistema optogenético inhibe el tráfico de vesículas de la membrana intracelular Más información: Won Do Heo, Opto-vTrap, una trampa optogenética para la inhibición reversible de la liberación vesicular, la transmisión sináptica y el comportamiento, Neuron (2021). DOI: 10.1016/j.neurona.2021.11.003. www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(21)00896-5 Información de la revista: Neuron
Proporcionado por el Instituto de Ciencias Básicas Cita: Cómo los científicos pueden controlar los circuitos cerebrales, el comportamiento y las emociones usando la luz (30 de noviembre de 2021) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-11-scientists-brain-circuits-behavior-emotion.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.