Control optogenético del cerebro profundo sin implantes

ARRIBA: ISTOCK.COM, WHITEHOUNE

Los científicos han creado una opsina que responde a la luz, tan sensible que incluso cuando se introduce en células en lo profundo del tejido, puede responder a un estímulo de luz externo, según un informe en Neuron ayer (30 de abril). Los experimentos en ratones y macacos demostraron que la luz azul brillante en la superficie del cráneo o el cerebro era suficiente para activar las neuronas que expresan opsina a seis milímetros de profundidad.

Estaba bastante impresionado de que esto fuera posible, dice Gregory Corder, que estudia las bases neurológicas del dolor y la adicción en la Universidad de Pensilvania y que no participó en el trabajo. A ese tipo de profundidad, continúa, esencialmente ninguna parte del cerebro del roedor está fuera de los límites ahora para hacer esta [técnica] no invasiva. . . . Es bastante impresionante.

Este desarrollo ayudará a extender el uso de la optogenética en modelos de primates no humanos y acercará las técnicas a la aplicación clínica en humanos, agrega la experta en enfermedades neurológicas Adriana Galvan de Yerkes National Primate Research. Center en un correo electrónico a The Scientist. Galvan no era miembro del equipo de investigación.

La optogenética es una técnica mediante la cual las células excitables, como las neuronas, pueden controlarse a voluntad mediante la luz. Para hacer esto, las células se modifican genéticamente para producir canales iónicos llamados opsinas que se asientan en las membranas de las células y se abren en respuesta a una determinada longitud de onda de la luz. Entonces, al encender la luz, se inundan las células con iones, lo que hace que se disparen. Debido a que la luz no penetra fácilmente en los tejidos, para activar las neuronas productoras de opsina en lo profundo del cerebro de un animal vivo, los investigadores insertan cables de fibra óptica. Esto es altamente invasivo, dice Galván, explicando que el tejido cerebral puede dañarse.

Por lo tanto, los investigadores están examinando formas de hacer que la optogenética sea menos invasiva. Un enfoque es modificar las opsinas para hacerlas más sensibles a la luz, o para que respondan a la luz roja, que penetra en los tejidos del cuerpo más fácilmente que la luz azul, las longitudes de onda a las que tradicionalmente responden las opsinas.

una estrategia optogenética no invasiva no estaba en la parte superior de la lista de prioridades para Guoping Feng del MIT cuando él y su equipo desarrollaron su nueva opsina. Eso sucedió por accidente, dice.

Feng trabaja con otro tipo de opsina modificada llamada opsina de función escalonada (SFO), que ha sido diseñada para encenderse en respuesta a una longitud de onda y permanecer encendida hasta siendo apagado con una longitud de onda diferente. Pero las SFO no son muy sensibles, explica Feng, por lo que su equipo decidió introducir una mutación que, en otro tipo de opsina, se sabe que transmite una mayor sensibilidad.

Funcionó mucho mejor de lo esperado, dice Feng. Al principio, literalmente dije, oh mierda, lo hicimos demasiado, la cagamos, recuerda. El SFO era tan sensible que cuando los animales estaban bajo una fuente de luz intensa, las neuronas comenzaban a activarse. . . no podíamos creerlo. El equipo se dio cuenta rápidamente del valor de las opsinas.

A pesar de la sensibilidad de los canales, la luz ambiental normal no provocará la activación de células extrañas en los animales que la producen, dicen los autores. Sin embargo, tales animales deben protegerse de luces muy fuertes.

Los experimentos en ratones demostraron que cuando la nueva opsina, que los autores denominan SOUL, para opsina de función escalonada con sensibilidad ultra alta a la luz, se producía en células en cualquier parte del cerebro, la luz azul de un cable de fibra óptica colocado contra el exterior del cráneo fue suficiente para activar las neuronas. De hecho, la activación de las neuronas productoras de SOUL en el hipotálamo lateral, aproximadamente 5,56,2 mm por debajo de la superficie del cráneo, inhibió el comportamiento de alimentación en ratones hambrientos, un efecto conocido de estimular esta región.

Estimulación optogenética del hipotálamo lateral (rojo) profundo en el cerebro del ratón con una fuente de luz fuera del cráneo (caja gris, rayo azul) podría alterar el comportamiento de alimentación del animal. hasta 5,6 mm con virus que codifica el gen de la opsina. Usando un cable de fibra óptica colocado contra la membrana externa del cerebro (a través de una abertura en el cráneo), la luz azul activó las neuronas en todas las profundidades como lo indica una sonda multicanal insertada.

Este es un gran avance para la investigación del cerebro de primates no humanos, dice el neurocientífico Kamran Khodakhah del Colegio de Medicina Albert Einstein, quien no participó en la investigación. Sin embargo, nota cierta preocupación por las oscilaciones cerebrales observadas como resultado de la activación del ALMA en los primates. Estos fueron muy inesperados, dice.

Todavía no sabemos la causa exacta de las oscilaciones, dice Feng, pero de hecho es un factor de confusión potencial que necesita ser examinado más a fondo. Agrega que estimular regiones cerebrales más pequeñas o tipos de células [específicas] puede evitar este problema.

Tal activación celular específica podría lograrse mediante el uso de optogenética de dos fotones, que tiene resolución de una sola célula, dice el neurocientífico Rafael Yuste de la Universidad de Columbia que no participó en el trabajo.

Además de descubrir la fuente de las oscilaciones y las formas de evitarlas, dice Feng, su equipo ahora busca mejorar aún más la proteína SOUL. Una posibilidad, dice, es alterar la longitud de onda de activación.

Si SOUL pudiera activarse con luz roja, dice Corder, probablemente podrían lograr una penetración aún más profunda.

X. Gong et al., Una opsina de función escalonada ultrasensible para la estimulación optogenética mínimamente invasiva en ratones y macacos, Neuron, doi: 10.1016/j.neuron.2020.03.032, 2020.