Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard y el MIT han desarrollado un nuevo método para apuntar a las neuronas ‘enfermas’ en el cerebro y cambiar su comportamiento a largo plazo usando luz, allanando el camino para nuevos tratamientos potenciales para condiciones neurológicas como la epilepsia y el autismo.
“Prevemos que esta tecnología brindará nuevas oportunidades para el control de neuronas de alta resolución espaciotemporal para estudios de neurociencia y comportamiento y el desarrollo de nuevos tratamientos para trastornos neurológicos”, ha explicado Jia Liu, profesor asistente de bioingeniería en la SEAS y coautor principal del estudio, publicado en Science Advances.
La optogenética es una técnica que combina procedimientos de ingeniería genética y de física óptica para marcar neuronas específicas del cerebro y poder estimularlas o inhibirlas después mediante rayos de luz de determinada frecuencia. Durante mucho tiempo fue considerada prometedora para revolucionar el estudio y el tratamiento de las afecciones neurológicas causadas por la excitabilidad excesiva o insuficiente de las neuronas. Sin embargo, las técnicas optogenéticas actuales solo pueden cambiar la excitabilidad neuronal a corto plazo. Una vez que la luz se apaga, las neuronas vuelven a su comportamiento original.
Los recientes avances en nanotecnología, incluida la nanoelectrónica flexible e implantable iniciada por Liu y su equipo, podrían alterar el comportamiento neuronal a largo plazo, pero estos dispositivos deben implantarse en el cerebro, y no pueden programarse para atacar neuronas específicas involucradas en enfermedad.
Como se explica desde la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard y el MIT, la excitabilidad de una neurona se rige por dos componentes principales: la conductividad de su canal iónico y la capacidad de la membrana celular para almacenar una carga eléctrica, conocida como capacitancia.
La mayoría de las técnicas optogenéticas tienen como objetivo la conductividad del canal iónico, modulando la excitabilidad de la neurona abriendo o cerrando un grupo específico de canales. Este enfoque puede sintonizar efectivamente la excitabilidad de la neurona, pero solo de manera transitoria.
“Puedes imaginar una neurona como un circuito de resistencia-condensador y la membrana celular, como un material dieléctrico. Al igual que con cualquier circuito, si cambia la capacitancia del material, en este caso, la membrana celular, puede cambiar la excitabilidad intrínseca del circuito a largo plazo, de alta excitabilidad a baja excitabilidad o viceversa”, ha indicado Liu.
Un procedimiento dirigido a neuronas específicas
Para cambiar la capacitancia de la membrana celular, este investigador, en colaboración con Xiao Wang, profesor del Departamento de Química del Instituto de Tecnología de Massachusetts, y Virginia Cabot en el MIT, utilizó enzimas sensibles a la luz que pueden desencadenar la formación de polímeros aislantes o conductores en la superficie de membranas celulares.
Las enzimas se pueden diseñar para que se dirijan a las membranas celulares de neuronas específicas. Una vez que las enzimas se adhirieron a la membrana especificada, los investigadores utilizaron luz de longitud de onda azul para iluminar las neuronas, lo que provocó la generación de revestimientos aislantes o conductores en la membrana en cuestión de minutos. Demostraron que las neuronas con recubrimientos de polímeros aislantes se volvieron más excitables, y aquellas con recubrimientos de polímeros conductores se volvieron menos excitables.
Los investigadores descubrieron que podían ajustar la excitabilidad ajustando la exposición a la luz: cuanto más tiempo estaban expuestas las neuronas a la luz, más aislantes o conductivos se volvían los recubrimientos. El equipo científico también mostró que los cambios en la excitabilidad duraron hasta tres días, siempre que pudieran mantener vivas las neuronas en una placa de Petri.
El próximo paso de los investigadores será probar este nuevo enfoque utilizando muestras de tejido cerebral y en animales. “El objetivo general de este trabajo es permitir enfoques de cambio de paradigma para la integración de materiales, estructuras y dispositivos funcionales en sistemas nerviosos vivos con especificidad subcelular y de tipo celular, lo que permitirá la manipulación precisa de las propiedades electroquímicas subcelulares, remodelando la excitabilidad de las neuronas en los sistemas nerviosos vivos”, avanza Liu.
Fuente: Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
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