Conexiones entre las drogas adictivas y la función cerebral en ratones
Figura 1. Diseño experimental para la conectómica de la dopamina. (A) Los virus adenoasociados (AAV) que expresan Apex2 dependiente de Cre se inyectaron bilateralmente en el área tegmental ventral (VTA) de ratones transgénicos que expresan Cre en neuronas positivas para el transportador de dopamina (Slc6a3 (DAT) -CRE). (B) Aproximadamente 4 semanas después de las inyecciones de AAV, las secciones de vibratomo (~300 m de espesor) muestran un fuerte marcado de Apex2 en VTA y núcleo accumbens (NAc) después de la tinción con 33-diaminobencideno (DAB) y peróxido de hidrógeno (H2O2) antes de microscopía electrónica (EM ) procesamiento (ver Materiales y métodos). Las flechas negras apuntan a una región positiva de Apex2 y la punta de flecha negra apunta a una región negativa de Apex2. Los rectángulos verdes resaltan el VTA y la capa medial de la región NAc diseccionada y procesada para EM. Los óvalos rojos resaltan los puntos de referencia del área para garantizar que se diseccionó la misma región en todos los animales. (CD) Imágenes EM representativas de neuronas citoplasmáticas (C, fila superior) y mitocondriales (D, fila inferior) Apex2+ DA. Panel izquierdo: soma Apex2 en el VTA (flechas rojas). Panel central: el panel superior de Apex2 muestra una espina dendrítica DA que forma una sinapsis (flecha morada) con un botón presináptico (naranja) en el VTA, y el panel inferior muestra una dendrita DA estrecha que expresa Apex mitocondrial. Panel derecho: axón Apex2 en el NAc con varicosidades estrechas (flecha amarilla) y gruesas (punta de flecha amarilla). El Apex2 citosólico no oscurece las mitocondrias (panel superior, asterisco) y el Apex2 mitocondrial (abajo) solo llena las mitocondrias. Barra de escala = C,D, soma = 10 m, dendrita y axón = 1 m. Crédito: DOI: 10.7554/eLife.71981
Los investigadores utilizan tecnología avanzada y ratones para estudiar la estructura de las neuronas dopaminérgicas, la adicción y la capacidad de recuperación del cerebro.
Un comercial de fines de la década de 1980 destinado a combatir la adicción a las drogas utilizó un par de huevos fritos como metáfora de los efectos de las drogas en el cerebro humano. Si bien los investigadores han entendido durante mucho tiempo que existe una conexión entre el abuso de drogas y los cambios adversos en el cerebro, solo ahora pueden estudiar, con gran detalle, las alteraciones que realmente ocurren.
Usando el estado de Con tecnología de punta, investigadores de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) detallaron, por primera vez, cambios específicos que ocurren en los cerebros de ratones expuestos a la cocaína.
La investigación proporciona nuevos conocimientos sobre la función de las estructuras neuronales de dopamina clave, que están involucradas en múltiples funciones, desde el movimiento voluntario hasta el comportamiento. Los resultados dieron vuelta la página sobre preguntas más antiguas sobre cómo se transmite la dopamina, al tiempo que abrieron un nuevo capítulo sobre otros. A través del trabajo continuo, los investigadores esperan comprender cómo funcionan ciertos tipos de adicciones y, tal vez, desarrollar tratamientos específicos.
En un artículo reciente publicado en la revista eLife, los investigadores describen cómo están construyendo sobre la floreciente campo de la conectómica, el desarrollo de mapas 3D altamente detallados y precisos de cada neurona en el cerebro y sus conexiones.
Por su parte, el equipo se propuso identificar más claramente el proceso por el cual la dopamina se transmite a través de neuronas, ya que no hacen conexiones físicas convencionales, donde las señales se transfieren a través de las sinapsis.
«La evidencia sugiere que estas neuronas descargan dopamina en el espacio extracelular, activando las neuronas cercanas que poseen receptores sensibles a la dopamina», dice Gregg Wildenberg, investigador principal del proyecto. «Pero la conectómica ha tenido poco que decir sobre este tipo de circuitos porque no hacen conexiones típicas, así que queríamos adentrarnos en esta área para ver cómo funcionaba realmente».
Otra motivación para el proyecto fue entender la participación de la dopamina en la adicción. ¿Qué cambios anatómicos, si los hay, en los circuitos de dopamina son causados por las drogas de abuso, como la cocaína?
Obtener ese nivel de detalle requirió el empleo del microscopio electrónico en serie tridimensional de gran volumen de Argonne. Un microscopio de alta potencia capaz de visualizar los detalles más pequeños del cerebro, permitió una mirada más íntima a las neuronas de dopamina de una selección de ratones sensibilizados con cocaína y animales de control.
Utilizando recursos en la Universidad de Chicago, el equipo recolectó aproximadamente 2,000 secciones de 40 nanómetros de espesor (1 mm = 1 millón de nm) de secciones asociadas con dopamina del mesencéfalo y el prosencéfalo.
A partir de estas muestras, el SEM generó una colección de 2D, individuos imágenes con un total de más de 1,5 terabytes de datos. Estos se volvieron a ensamblar digitalmente utilizando el grupo de visualización, Cooley, en Argonne Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Este proceso crea un volumen 3D que permite a los investigadores identificar y rastrear diferentes características anatómicas de las neuronas de dopamina, que, hasta hace poco, había demostrado ser un desafío.
«El acto de fe en este proyecto fue que en realidad seríamos capaces de detectar cambios anatómicos que podrían estar ocurriendo en cualquier punto de el cerebro», dijo Narayanan «Bobby» Kasthuri, coinvestigador del proyecto. «¿Podríamos tomar esta porción microscópica de cerebro y encontrar algo que sea cuantitativamente diferente? Esa también es parte de la razón por la que elegimos la cocaína, porque pensamos que lo que sea que esté sucediendo probablemente esté sucediendo sistémicamente en todo el cerebro».
Los resultados determinaron que, efectivamente, las neuronas de dopamina no establecen conexiones físicas, excepto en algunos casos excepcionales. Y esto último puede sugerir que las neuronas de dopamina no son idénticas; que puede existir una subclase diferente que se inclina hacia hacer más conexiones físicas.
En general, encontraron que las pequeñas hinchazones o varicosidades, los sitios responsables de la liberación de dopamina, podrían clasificarse en cuatro tipos diferentes basándose, en parte, en la tamaño, así como la cantidad de vesículas portadoras de neurotransmisores que contenía cada varicosidad.
Descubrieron que algunas de estas hinchazones carecían de vesículas, lo que llevó a algunos críticos a afirmar que no podían definirse como sitios de liberación adecuados . Estas várices vacías, dicen, probablemente indican que puede haber otros componentes moleculares, además de la presencia de vesículas, que definen los sitios de liberación de dopamina.
«Sugerimos que es posible que estas várices vacías tengan todos la maquinaria molecular para liberar dopamina, pero puede ser que las vesículas de dopamina estén siendo transportadas activamente a lo largo del axón y por casualidad captamos una instantánea en la que algunas están vacías», dijo Wildenberg.
La porción de cocaína del estudio produjo dos cambios importantes, los cuales se centran en los axones, los cables ultrafinos que se proyectan desde las neuronas. Al igual que los árboles, de los axones brotan zarcillos que se ramifican hacia otros axones para enviar señales. Después de exponer a los ratones a la cocaína, el equipo encontró un aumento en esa ramificación.
En un resultado totalmente inesperado, también encontraron que aproximadamente la mitad de los axones que estudiaron formaron enormes hinchazones, o bulbos, en varios lugares. a lo largo del axón. La correlación más cercana a estos bulbos aparece en animales en desarrollo, en las uniones donde las neuronas se encuentran con los músculos. En algunos casos, un axón se retrae, o se recorta, y luego se hincha hasta convertirse en una gran estructura con forma de bulbo.
El equipo vio signos tanto de brotación como de retracción, a veces en el mismo axón. Según los investigadores, el hallazgo representa la primera documentación de este comportamiento en el contexto de un modelo de enfermedad.
«Ahora sabemos que existe una base anatómica para la exposición a fármacos», señaló Kasthuri. «Estos animales recibieron una o dos inyecciones de cocaína y ya, después de dos o tres días, vimos cambios anatómicos generalizados.
«No es que algunas moléculas estén cambiando aquí o allá», agregó. «La el circuito se reorganiza mucho antes y con mucha menos exposición a la droga de lo que nadie hubiera pensado».
Si bien el estudio ha ayudado a dilucidar cuestiones de forma, función y dinámica en el sistema de dopamina, también presenta importantes novedades preguntas relacionadas con la exposición repetida y la adicción, así como el tratamiento y la recuperación.
Principalmente, ¿puede el cerebro superar los reordenamientos estructurales introducidos por las drogas adictivas, en función de su plasticidad en otras áreas? Resultados de esta investigación y accesibilidad a poderosas herramientas de descubrimiento son la clave para responder este tipo de preguntas en el futuro.
La investigación presentada en este artículo se publicó en la edición de eLife del 29 de diciembre de 2021 con el título «Conectomas parciales de circuitos dopaminérgicos etiquetados re comunicación no sináptica de ternera y remodelación axonal después de la exposición a la cocaína».
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El estudio contribuye a nuestra comprensión de cómo la abstinencia de cocaína afecta los circuitos cerebrales Más información: Gregg Wildenberg et al, Los conectomas parciales de circuitos dopaminérgicos etiquetados revelan comunicación no sináptica y remodelación axonal después de la exposición a la cocaína, eLife (2021). DOI: 10.7554/eLife.71981 Información del diario: eLife
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Argonne Cita: Conexiones entre las drogas adictivas y la función cerebral en ratones (2022, 18 de enero ) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-01-addictive-drugs-brain-function-mice.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.