Las neuronas del cerebro se comunican mediante rápidos impulsos eléctricos que permiten al cerebro coordinar el comportamiento, las sensaciones, los pensamientos y las emociones. Los científicos que quieren estudiar esta actividad eléctrica suelen medir estas señales con electrodos insertados en el cerebro, una tarea que es notoriamente difícil y que requiere mucho tiempo.
Investigadores del MIT han ideado ahora un enfoque completamente diferente para medir la actividad eléctrica del cerebro, que creen que resultará mucho más fácil y más informativo. Han desarrollado una proteína sensible a la luz que puede incrustarse en las membranas de las neuronas, donde emite una señal fluorescente que indica la tensión que experimenta una célula concreta. Esto podría permitir a los científicos estudiar cómo se comportan las neuronas, milisegundo a milisegundo, a medida que el cerebro realiza una función concreta.
«Si se coloca un electrodo en el cerebro, es como si se intentara entender una conversación telefónica oyendo hablar sólo a una persona», dice Edward Boyden, profesor asociado de ingeniería biológica y ciencias cognitivas y del cerebro en el MIT. «Ahora podemos registrar la actividad neuronal de muchas células de un circuito neuronal y escucharlas mientras hablan entre sí».
Boyden, que también es miembro del Laboratorio de Medios de Comunicación del MIT, del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro y del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer, y becario de la Facultad HHMI-Simons, es el autor principal del estudio, que aparece en el número del 26 de febrero de Nature Chemical Biology. Los autores principales del artículo son los postdoctorales del MIT Kiryl Piatkevich y Erica Jung.
Voltaje de imagen
Durante las últimas dos décadas, los científicos han buscado una forma de monitorizar la actividad eléctrica del cerebro mediante imágenes en lugar de registrarla con electrodos. Encontrar moléculas fluorescentes que puedan utilizarse para este tipo de imágenes ha sido difícil; las proteínas no sólo tienen que ser muy sensibles a los cambios de voltaje, sino que también deben responder con rapidez y ser resistentes al fotoblanqueo (desvanecimiento que puede causar la exposición a la luz).
Boyden y sus colegas idearon una nueva estrategia para encontrar una molécula que cumpliera con todo lo anterior: Construyeron un robot que podía examinar millones de proteínas, generadas a través de un proceso llamado evolución dirigida de proteínas, en busca de los rasgos que querían.
«Se toma un gen, luego se hacen millones y millones de genes mutantes, y finalmente se eligen los que mejor funcionan», dice Boyden. «Así es como funciona la evolución en la naturaleza, pero ahora lo hacemos en el laboratorio con robots para poder elegir los genes con las propiedades que queremos».
Los investigadores hicieron 1,5 millones de versiones mutadas de una proteína sensible a la luz llamada QuasAr2, que fue diseñada previamente por el laboratorio de Adam Cohen en la Universidad de Harvard. (Ese trabajo, a su vez, se basó en la molécula Arch, de la que el laboratorio de Boyden informó en 2010). Los investigadores colocaron cada uno de esos genes en células de mamífero (un mutante por célula), luego cultivaron las células en placas de laboratorio y utilizaron un microscopio automatizado para tomar fotografías de las células. El robot fue capaz de identificar células con proteínas que cumplían los criterios que buscaban los investigadores, siendo los más importantes la ubicación de la proteína dentro de la célula y su brillo.
El equipo de investigación seleccionó entonces cinco de los mejores candidatos e hizo otra ronda de mutación, generando 8 millones de nuevos candidatos. El robot eligió los siete mejores, que los investigadores redujeron a uno, al que llamaron Archon1.
Mapping the brain
Una característica clave de Archon1 es que, una vez que el gen se introduce en una célula, la proteína Archon1 se incrusta en la membrana celular, que es el mejor lugar para obtener una medición precisa del voltaje de una célula.
Utilizando esta proteína, los investigadores pudieron medir la actividad eléctrica en el tejido cerebral de ratones, así como en células cerebrales de larvas de pez cebra y del gusano Caenorhabditis elegans. Estos dos últimos organismos son transparentes, por lo que es fácil exponerlos a la luz y obtener imágenes de la fluorescencia resultante. Cuando las células se exponen a una determinada longitud de onda de luz rojo-naranja, el sensor de la proteína emite una longitud de onda más larga de luz roja, y el brillo de la luz se corresponde con el voltaje de esa célula en un momento determinado.
Los investigadores también demostraron que Archon1 puede utilizarse junto con proteínas sensibles a la luz que se emplean habitualmente para silenciar o estimular la actividad de las neuronas -se conocen como proteínas optogenéticas-, siempre que esas proteínas respondan a otros colores distintos del rojo. En experimentos con C. elegans, los investigadores demostraron que podían estimular una neurona utilizando luz azul y luego utilizar Archon1 para medir el efecto resultante en las neuronas que reciben la entrada de esa célula.
Cohen, el profesor de Harvard que desarrolló el predecesor de Archon1, dice que la nueva proteína del MIT acerca a los científicos al objetivo de obtener imágenes de la actividad eléctrica en escala de milisegundos en cerebros vivos.
«Tradicionalmente, la ingeniería de los indicadores de voltaje fluorescentes ha sido muy laboriosa, ya que cada mutante tenía que ser clonado individualmente y luego probado mediante una lenta medición manual de electrofisiología con pinzas. El laboratorio de Boyden desarrolló un método de cribado de alto rendimiento muy inteligente para este problema», dice Cohen, que no participó en este estudio. «Su nuevo reportero se ve realmente bien en peces y gusanos y en rodajas de cerebro. Estoy deseando probarlo en mi laboratorio».
Los investigadores trabajan ahora en la utilización de esta tecnología para medir la actividad cerebral en ratones mientras realizan diversas tareas, lo que, según Boyden, debería permitirles cartografiar los circuitos neuronales y descubrir cómo producen comportamientos específicos.
«Podremos observar cómo se produce un cómputo neuronal», afirma. «En los próximos cinco años, más o menos, intentaremos resolver por completo algunos pequeños circuitos cerebrales. Estos resultados podrían dar un paso hacia la comprensión de lo que es realmente un pensamiento o un sentimiento».
La investigación ha sido financiada por el HHMI-Simons Faculty Scholars Program, el IET Harvey Prize, el MIT Media Lab, el New York Stem Cell Foundation Robertson Award, el Open Philanthropy Project, John Doerr, el Human Frontier Science Program, el Departamento de Defensa, la National Science Foundation y los National Institutes of Health, incluyendo un NIH Director’s Pioneer Award.