Investigadores del MIT y la Universidad Paris Descartes han desarrollado una nueva técnica optogenética que esculpe la luz para apuntar a células individuales que portan moléculas sensibles a la luz diseñadas, de modo que las neuronas individuales puedan estimularse con precisión.
Hasta ahora, ha sido un desafío usar la optogenética para apuntar a células individuales con un control tan preciso sobre el momento y la ubicación de la activación. Este nuevo avance allana el camino para los estudios de cómo las células individuales y las conexiones entre esas células generan comportamientos específicos, como iniciar un movimiento o aprender una nueva habilidad.
«Idealmente, lo que le gustaría hacer es tocar el cerebro como un piano. Querría controlar las neuronas de forma independiente, en lugar de que todas marchen al unísono de la forma en que funciona la optogenética tradicional, pero que normalmente el cerebro no hace», dice. Ed Boyden, profesor asociado de ciencias del cerebro y cognitivas e ingeniería biológica en el MIT, y miembro del Media Lab del MIT y del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro.
La nueva técnica se basa en un nuevo tipo de proteína sensible a la luz que se puede incrustar en los cuerpos celulares de las neuronas, combinada con la formación de luz holográfica que puede enfocar la luz en una sola célula.
Boyden y Valentina Emiliani, directora de investigación del Centro Nacional de Investigaciones Científicas de Francia (CNRS) y directora del Laboratorio de Neurofotónica de la Universidad Paris Descartes, son los autores principales del estudio, que aparece en la edición del 13 de noviembre de Neurociencia de la naturaleza. Los autores principales son el posdoctorado del MIT Or Shemesh y los posdoctorados del CNRS Dimitrii Tanese y Valeria Zampini.
Control preciso
Hace más de 10 años, Boyden y sus colaboradores fueron pioneros en el uso de proteínas sensibles a la luz conocidas como opsinas microbianas para manipular la actividad eléctrica de las neuronas. Estas opsinas se pueden incrustar en las membranas de las neuronas y, cuando se exponen a ciertas longitudes de onda de luz, silencian o estimulan las células.
Durante la última década, los científicos han utilizado esta técnica para estudiar cómo se comportan las poblaciones de neuronas durante tareas cerebrales como la recuperación de la memoria o la formación de hábitos. Tradicionalmente, muchas células son atacadas simultáneamente porque la luz que brilla en el cerebro incide en un área relativamente grande. Sin embargo, como señala Boyden, las neuronas pueden tener diferentes funciones incluso cuando están cerca unas de otras.
«Dos células adyacentes pueden tener códigos neuronales completamente diferentes. Pueden hacer cosas completamente diferentes, responder a diferentes estímulos y reproducir diferentes patrones de actividad durante diferentes tareas», dice.
Para lograr el control independiente de células individuales, los investigadores combinaron dos nuevos avances: una opsina más potente y localizada y un microscopio holográfico de modelado de luz optimizado.
Para la opsina, los investigadores usaron una proteína llamada CoChR, que el laboratorio de Boyden descubrió en 2014. Eligieron esta molécula porque genera una corriente eléctrica muy fuerte en respuesta a la luz (alrededor de 10 veces más fuerte que la producida por la canalrodopsina-2, la primera proteína utilizada para la optogenética).
Fusionaron CoChR con una pequeña proteína que dirige la opsina hacia los cuerpos celulares de las neuronas y lejos de los axones y las dendritas, que se extienden desde el cuerpo de la neurona. Esto ayuda a evitar la diafonía entre las neuronas, ya que la luz que activa una neurona también puede golpear los axones y las dendritas de otras neuronas que se entrelazan con la neurona objetivo.
Boyden luego trabajó con Emiliani para combinar este enfoque con una técnica de estimulación de luz que ella había desarrollado previamente, conocida como holografía generada por computadora de dos fotones (CGH). Esto se puede usar para crear esculturas tridimensionales de luz que envuelven una celda objetivo.
La holografía tradicional se basa en reproducir, con luz, la forma de un objeto específico, en ausencia de ese objeto original. Esto se logra creando un «interferograma» que contiene la información necesaria para reconstruir un objeto que fue previamente iluminado por un haz de referencia. En la holografía generada por computadora, el interferograma es calculado por una computadora sin necesidad de ningún objeto original. Hace años, el grupo de investigación de Emiliani demostró que, combinado con la excitación de dos fotones, la CGH se puede usar para reenfocar la luz láser para iluminar con precisión una célula o un grupo definido de células en el cerebro.
En el nuevo estudio, al combinar este enfoque con nuevas opsinas que se agrupan en el cuerpo celular, los investigadores demostraron que podían estimular neuronas individuales no solo con un control espacial preciso sino también con un gran control sobre el momento de la estimulación. Cuando se dirigen a una neurona específica, responde de manera constante cada vez, con una variabilidad de menos de un milisegundo, incluso cuando la célula se estimula muchas veces seguidas.
«Por primera vez, podemos llevar la precisión del control de una sola célula a las escalas de tiempo naturales de la computación neuronal», dice Boyden.
Mapeo de conexiones
Usando esta técnica, los investigadores pudieron estimular neuronas individuales en cortes de cerebro y luego medir las respuestas de las células que están conectadas a esa célula. Esto allana el camino para la posible diagramación de las conexiones del cerebro y el análisis de cómo esas conexiones cambian en tiempo real a medida que el cerebro realiza una tarea o aprende una nueva habilidad.
Un posible experimento, dice Boyden, sería estimular las neuronas conectadas entre sí para tratar de averiguar si una está controlando a las demás o si todas están recibiendo información de un controlador lejano.
«Es una pregunta abierta», dice. «¿Se está impulsando una función dada desde lejos, o hay un circuito local que gobierna la dinámica y explica la cadena de mando exacta dentro de un circuito? Si puede captar esa cadena de mando en acción y luego usar esta tecnología para demostrar que eso es en realidad un vínculo causal de eventos, que podría ayudarlo a explicar cómo ocurre una sensación, un movimiento o una decisión».
Como un paso hacia ese tipo de estudio, los investigadores ahora planean extender este enfoque a animales vivos. También están trabajando para mejorar sus moléculas de orientación y desarrollar opsinas de alta corriente que pueden silenciar la actividad neuronal.
