«El nuevo método utiliza una proteína magnetizada para activar las células cerebrales de forma rápida, reversible y no invasiva.
Investigadores de Estados Unidos han desarrollado un nuevo método para controlar los circuitos cerebrales asociados a los comportamientos complejos de los animales, utilizando la ingeniería genética para crear una proteína magnetizada que activa grupos específicos de células nerviosas a distancia.
Entender cómo el cerebro genera comportamientos es uno de los principales objetivos de la neurociencia y una de sus cuestiones más difíciles. En los últimos años, los investigadores han desarrollado una serie de métodos que les permiten controlar a distancia grupos específicos de neuronas y sondear el funcionamiento de los circuitos neuronales.
El más potente es un método llamado optogenética, que permite a los investigadores activar o desactivar poblaciones de neuronas relacionadas en una escala de tiempo de milisegundo en milisegundo con pulsos de luz láser. Otro método desarrollado recientemente, denominado quimiogenética, utiliza proteínas diseñadas que se activan con fármacos de diseño y pueden dirigirse a tipos celulares específicos.
Aunque son potentes, ambos métodos tienen inconvenientes. La optogenética es invasiva, ya que requiere la inserción de fibras ópticas que introducen los pulsos de luz en el cerebro y, además, el grado de penetración de la luz en el denso tejido cerebral es muy limitado. Los enfoques quimiogenéticos superan ambas limitaciones, pero suelen inducir reacciones bioquímicas que tardan varios segundos en activar las células nerviosas.
La nueva técnica, desarrollada en el laboratorio de Ali Güler en la Universidad de Virginia en Charlottesville, y descrita en una publicación en línea anticipada en la revista Nature Neuroscience, no solo no es invasiva, sino que también puede activar las neuronas de forma rápida y reversible.
Varios estudios anteriores han demostrado que las proteínas de las células nerviosas que se activan con el calor y la presión mecánica pueden modificarse genéticamente para que se vuelvan sensibles a las ondas de radio y los campos magnéticos, uniéndolas a una proteína que almacena hierro llamada ferritina o a partículas paramagnéticas inorgánicas. Estos métodos representan un avance importante -ya se han utilizado, por ejemplo, para regular los niveles de glucosa en sangre en ratones-, pero implican múltiples componentes que deben introducirse por separado.
La nueva técnica se basa en estos trabajos anteriores y en una proteína llamada TRPV4, que es sensible tanto a la temperatura como a las fuerzas de estiramiento. Estos estímulos abren su poro central, permitiendo que la corriente eléctrica fluya a través de la membrana celular; esto evoca impulsos nerviosos que viajan a la médula espinal y luego al cerebro.
Güler y sus colegas pensaron que las fuerzas magnéticas de torsión (o de rotación) podrían activar el TRPV4 tirando de su poro central, por lo que utilizaron la ingeniería genética para fusionar la proteína con la región paramagnética de la ferritina, junto con secuencias cortas de ADN que indican a las células que transporten las proteínas a la membrana de las células nerviosas y las inserten en ella.
Cuando introdujeron esta construcción genética en células renales embrionarias humanas que crecían en placas de Petri, las células sintetizaron la proteína «Magneto» y la insertaron en su membrana. La aplicación de un campo magnético activó la proteína TRPV1 modificada, lo que se puso de manifiesto en el aumento transitorio de la concentración de iones de calcio en las células, que se detectó con un microscopio de fluorescencia.
A continuación, los investigadores insertaron la secuencia de ADN de Magneto en el genoma de un virus, junto con el gen que codifica la proteína verde fluorescente, y secuencias de ADN reguladoras que hacen que la construcción se exprese solamente en tipos específicos de neuronas. A continuación, inyectaron el virus en el cerebro de ratones, centrándose en la corteza entorrinal, y diseccionaron el cerebro de los animales para identificar las células que emitían fluorescencia verde. Mediante el uso de microelectrodos, demostraron que la aplicación de un campo magnético a los cortes del cerebro activaba el Magneto para que las células produjeran impulsos nerviosos.
Para determinar si el Magneto puede utilizarse para manipular la actividad neuronal en animales vivos, inyectaron el Magneto en larvas de pez cebra, dirigiéndose a las neuronas del tronco y la cola que normalmente controlan la respuesta de escape. A continuación, colocaron las larvas de pez cebra en un acuario magnetizado especialmente construido, y descubrieron que la exposición a un campo magnético inducía maniobras de enrollamiento similares a las que se producen durante la respuesta de escape. (En este experimento participaron un total de nueve larvas de pez cebra, y los análisis posteriores revelaron que cada larva contenía unas 5 neuronas que expresaban Magneto).
En un último experimento, los investigadores inyectaron Magneto en el cuerpo estriado de ratones que se comportan libremente, una estructura cerebral profunda que contiene neuronas productoras de dopamina que intervienen en la recompensa y la motivación, y luego colocaron a los animales en un aparato dividido en secciones magnetizadas y no magnetizadas. Los ratones que expresaban Magneto pasaban mucho más tiempo en las zonas magnetizadas que los que no lo hacían, porque la activación de la proteína hacía que las neuronas estriatales que la expresaban liberaran dopamina, de modo que los ratones encontraban gratificante estar en esas zonas. Esto demuestra que Magneto puede controlar a distancia la activación de las neuronas en las profundidades del cerebro, y también controlar comportamientos complejos.
El neurocientífico Steve Ramírez, de la Universidad de Harvard, que utiliza la optogenética para manipular las memorias en el cerebro de los ratones, afirma que el estudio es «genial».
«Los intentos anteriores [de utilizar imanes para controlar la actividad neuronal] necesitaban múltiples componentes para que el sistema funcionara: inyectar partículas magnéticas, inyectar un virus que expresara un canal sensible al calor, [o] fijar la cabeza del animal para que una bobina pudiera inducir cambios en el magnetismo», explica. «El problema de tener un sistema multicomponente es que hay mucho margen para que cada pieza individual se rompa».
«Este sistema es un único y elegante virus que puede inyectarse en cualquier parte del cerebro, lo que hace técnicamente más fácil y menos probable que las campanas y silbatos móviles se rompan», añade, «y su equipo de comportamiento se diseñó inteligentemente para contener imanes donde fuera apropiado para que los animales pudieran moverse libremente».
La «magnetogenética» es, por tanto, una importante adición a la caja de herramientas de los neurocientíficos, que sin duda seguirá desarrollándose y proporcionará a los investigadores nuevas formas de estudiar el desarrollo y la función del cerebro.
(Tierra pura)