El paper de l'enginyeria sinàptica en la comprensió dels circuits neuronals

El lloc on ocorren el nostre comportament, records i pensaments es pot traçar fins als espais microscòpics entre les neurones, les conegudes sinapsis. En aquests espais les nostres neurones es connecten i es comuniquen, tant amb les veïnes com amb aquelles de regions més distants del cervell, transmetent informació des de l'emissor, la neurona presinàptica, al receptor, la neurona postsinàptica.

Aquesta transmissió de senyals permet que la informació flueixi per tot el sistema nerviós, formant circuits complexos que són essencials per a tots els aspectes de la funció cerebral i del comportament. Entendre com funcionen les sinapsis i dissenyar noves connexions és crucial tant per desxifrar les complexitats del cervell i el comportament com per abordar diverses afeccions neurològiques.

Encara que hi ha diversos mètodes per manipular i estudiar aquests circuits neuronals, la majoria solen requerir l'ús de maquinari complex, intervencions invasives o altes intensitats d'il·luminació que poden provocar efectes adversos. En aquest context, l'enginyeria sinàptica es constitueix com una alternativa prometedora. Se centra en sinapsis individuals entre neurones i no necessita monitoratge o activació externa a temps real. A l'enginyeria sinàptica, els investigadors poden crear connexions sinàptiques sintètiques i introduir-les en circuits neuronals ja existents, o generar nous circuits. En emular un circuit, podem aprendre molt més sobre com funciona i la seva plasticitat, explorar noves connexions entre neurones i fins i tot establir relacions causals entre l'estructura d'aquests circuits i el funcionament.

Tot i ser relativament recent ja s'han dut a terme amb èxit diversos experiments de desenvolupament i validació, especialment en organismes model com el cuc Caenorhabditis elegans, i cada cop més en sistemes de mamífers, demostrant que és un mètode eficaç per estudiar l'estructura i funció dels circuits neuronals i explorar noves configuracions.

Una revisió global de l'enginyeria sinàptica

Ara el Prof. a l'ICFO Michael Krieg, juntament amb el Prof. Ithai Rabinowitch de la Universitat Hebrea de Jerusalem i el Prof. Daniel Colón-Ramos de la Facultat de Medicina de la Universitat Yale, publiquen a la revista Nature Reviews Neuroscience una revisió exhaustiva dels mètodes d'enginyeria sinàptica existents, les aplicacions actuals i les visions per al futur del camp. L'article revisa les tres principals estratègies d'enginyeria sinàptica: les sinapsis elèctriques, les sinapsis químiques i els neuropèptids, respectivament, explicant-ne les característiques i descrivint les diferències en la dinàmica, la direccionalitat i els senyals pre i postsinàptics de cadascuna.

La primera estratègia abordada és l'enginyeria de sinapsi elèctrica, que se centra en els canals, coneguts com a gap juctions, que permeten l'encreuament d'ions i petites molècules entre neurones. Aquesta també és la primera demostració d'enginyeria neuronal sintètica. En els vertebrats, aquests canals estan formats principalment per un grup de proteïnes conegudes com a connexines. En expressar selectivament aquestes proteïnes, els investigadors poden manipular i reconnectar les connexions existents, cosa que permet explorar com flueix la informació al llarg dels circuits.

El segon mètode és l'enginyeria de sinapsi òptica, on certs enzims emissors de llum i ubicats a les neurones presinàptiques, les luciferases, participen en l'activació de canals iònics específics i sensibles a la llum, localitzats a les neurones postsinàptiques. Dos experiments, un dels quals va ser dissenyat per investigadors de l'ICFO, han demostrat que aquestes sinapsis òptiques es poden dissenyar fent servir la llum com a neurotransmissor sintètic.

La tercera metodologia revisada és la introducció de neuropèptids externs i els seus corresponents receptors de senyalització, cosa que permet crear noves vies neuronals i reconfigurar les ja existents, ajudant a comprendre el procés de modulació als circuits neuronals.

Un potencial prometedor per a futures aplicacions

Les perspectives de futura per a l'enginyeria sinàptica inclouen expandir els mètodes d'enginyeria, implementar mecanismes d'encesa i apagat o explorar la multiplexació – la inserció de múltiples sinapsis sintètiques independents simultàniament per re configurar els circuits neuronals.

Com emfatitza l'article, l'enginyeria sinàptica té un potencial prometedor per a diverses aplicacions més enllà de constituir una eina útil per provar hipòtesis i abordar qüestions relacionades amb la ciència bàsica. Usant aquests mètodes, es podrien aplicar estratègies de biologia sintètica per modificar certs comportaments en organismes, per exemple, per detectar i atacar patògens, o utilitzar-se per tractar sistemes neuronals danyats. Els autors conclouen imaginant la possibilitat de desenvolupar dissenys d'enginyeria sinàptica a gran escala, que podrien contribuir a una millor comprensió de circuits neuronals més complexos.