Controlant l'activitat neuronal fent servir fotons com a neurotransmissors

El nostre cervell està format per milers de milions de neurones que estan connectades entre si formant xarxes complexes. Aquestes neurones es comuniquen mitjançant un procés anomenat transmissió sinàptica, en el qual s'envien senyals elèctrics, potencials d'acció, i senyals químics, conegudes com a neurotransmissors. Els neurotransmissors químics s'alliberen d'una neurona, es difonen cap a les altres, i arriben a les cèl·lules diana generant un senyal que excita, inhibeix o modula l'activitat cel·lular. El moment i la força d'aquests senyals són crucials perquè el cervell processi i interpreti la informació sensorial, prengui decisions i generi comportament.

Controlar les connexions entre les neurones ens permetria comprendre i tractar millor els trastorns neurològics, reconfigurar o reparar les fallades en els circuits neuronals després d'haver estat danyats, millorar les nostres capacitats d'aprenentatge o expandir el nostre conjunt de comportaments. Existeixen diversos mètodes per a controlar l'activitat neuronal. L'ús de fàrmacs és l'alternativa més habitual, que permet alterar els nivells dels neurotransmissors químics presents en el cervell i afectar l'activitat de les neurones. Una altra alternativa és estimular elèctricament zones específiques del cervell per a activar o inhibir les neurones. Una tercera possibilitat és usar la llum.

Llum per a controlar l'activitat neuronal

La manipulació de l'activitat neuronal mitjançant la llum és una tècnica, relativament nova, que s'ha explorat en el passat. Aquesta tècnica implica modificar genèticament les neurones perquè expressin proteïnes i canals iònics sensibles a la llum i bombes o enzims específics en les cèl·lules diana. Encara que aquest mètode permet als investigadors controlar l'activitat de grups concrets de neurones amb major precisió, existeixen encara algunes limitacions. Com la llum es dispersa en el teixit cerebral, ha d'administrar-se molt prop de les neurones per a aconseguir una resolució suficient al nivell de sinapsi. Això implica fer servir tècniques sovint invasives, i requereix d’intervencions externes. A més, la intensitat que es necessita per a arribar a les cèl·lules diana pot ser potencialment nociva per a elles.

Ara un equip d'investigadors de l'ICFO publica a la revista Nature Methods un sistema que utilitza fotons en lloc de neurotransmissors químics com a estratègia per a controlar l'activitat neuronal. Los investigadores Montserrat Porta, Adriana Carolina González, Neus Sanfeliu-Cerdán, Shadi Karimi, Nawaphat Malaiwong, Aleksandra Pidde, Luis Felipe Morales y Sara González-Bolívar, liderats pel Prof. Michael Krieg, juntament amb els investigadors Pablo Fernández i Cedric Hurth, han desenvolupat un mètode per a connectar dues neurones fent servir luciferases, uns enzims que emeten llum, i canals iònics fotosensibles.

L'equip ha desenvolupat i testat un sistema, anomenat PhAST, en el nematode Caenorhabditis elegans, un organisme model àmpliament emprat per a estudiar processos biològics. De la mateixa manera que els animals bioluminescents usen fotons per a comunicar-se, el mètode desenvolupat fa servir enzims sintetitzats per a enviar fotons, en lloc de químics, com a transmissors entre neurones.

Substituint els neurotransmissors químics per fotons

Per a comprovar si era possible, realment, utilitzar els fotons per a codificar i transmetre l'estat entre dues neurones, l'equip primer va modificar genèticament els cucs alterant els seus neurotransmissors de tal manera que fossin insensibles als estímuls mecànics. L'objectiu era veure si, amb el sistema dissenyat, es podien revertir aquestes alteracions sensorials. En segon lloc, els investigadors van sintetitzar uns enzims emissors de llum, les luciferases, i van seleccionar canals iònics que fossin sensibles a la llum. Finalment, van desenvolupar un dispositiu que administrava estímuls mecànics en la punta del nas dels cucs, mesurant simultàniament l'activitat del calci - un dels ions i missatgers intracel·lulars més important - en les neurones sensorials. Això els va permetre seguir el flux de la informació.

Per tal de poder veure els fotons i estudiar la bioluminescència, l'equip va dissenyar un microscopi específic per a poder veure els fotons assistit per aprenentatge automàtic. Van simplificar un microscopi de fluorescència llevant alguns elements òptics habituals com a filtres, miralls, o el mateix làser, i el van cobrir per complet per a eliminar la contaminació de llum externa.

Els investigadors van dissenyar també diversos experiments que han aconseguit establir que els fotons sí que poden, de fet, transmetre estats neuronals. En un d'ells, es va establir una nova comunicació entre dues neurones no connectades prèviament, restaurant una connexió neuronal en un circuit defectuós. També van suprimir la resposta de l'animal a estímuls dolorosos, van canviar el seu comportament passant d'atracció a aversió en resposta a un estímul olfactori i van estudiar la dinàmica del calci durant la posada dels ous.

Els resultats obtinguts demostren que els fotons poden actuar com a neurotransmissors, permetent la comunicació entre les neurones, i que el sistema PhAST permet la modificació sintètica del comportament animal.

El potencial de la llum com a missatger

Com la llum pot usar-se en més tipus de cèl·lules i en més espècies animals, ofereix un gran potencial per a una àmplia gamma d'aplicacions, des de la recerca bàsica fins a aplicacions clíniques en neurociència.

Controlar i monitorar l'activitat neuronal mitjançant llum pot ajudar als investigadors a, per exemple, entendre millor els mecanismes subjacents de la funció cerebral i els comportaments complexos o a determinar com diferents regions del cervell es comuniquen entre elles. També pot aportar noves maneres d'escanejar i mapejar l'activitat cerebral amb major resolució espacial i temporal. A més, pot ser útil en el futur per a desenvolupar nous tractaments per a reparar les connexions neuronals danyades sense necessitat de cirurgies invasives.

El camí a seguir en un futur està orientat a millorar l'enginyeria dels enzims bioluminescents, els canals iònics o les molècules diana, la qual cosa permetria controlar de manera òptica, no invasiva, i amb una major especificitat i precisió la funció neuronal.