Los investigadores de la Universidad de Stanford han vinculado por primera vez varios circuitos cerebrales al estado de alerta.
Los hallazgos mejoran la comprensión de los científicos sobre las fuerzas que impulsan el estado de alerta, un estado cerebral que es esencial para la supervivencia, al mostrar que diversos tipos de células en todo el cerebro juntos producen este estado.
Los problemas relacionados con los déficits de alerta varían desde la privación del sueño hasta la depresión y la somnolencia inducida por trauma cerebral, mientras que afecciones como la ansiedad, la manía y el trastorno de estrés postraumático a menudo se caracterizan por un estado de alerta excesivo.
Los investigadores emplearon una tecnología de punta que les permitió monitorear grandes cantidades de actividad de las células nerviosas en el cerebro simultáneamente y, luego, caracterizar las células de interés en detalles moleculares. Este nuevo método permite a los científicos registrar la actividad de cualquiertipo de célula, sin necesidad de producir animales especiales genéticamente modificados para cada nuevo experimento.
En un estudio que se publicará en línea el 2 de noviembre en Celda , Karl Deisseroth, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y profesor de bioingeniería y de psiquiatría y ciencias del comportamiento en Stanford, y sus colegas describen cómo lograron observar la actividad en casi todas las células nerviosas o neuronas, en los cerebros del pez cebra larvalmientras rastrea los tiempos de reacción de las criaturas en respuesta a un estímulo los estudios en humanos y otros animales han demostrado que los tiempos de reacción son más rápidos cuando el sujeto está más alerta. La actividad de cada neurona se relacionó con el tipo de célula particular de esa neurona.Con esta red cerebral, Deisseroth y sus asociados pudieron determinar las identidades de varios circuitos neuronales distintos que anteriormente no se sospechaba que estaban asociados con el estado de alerta.
El autor principal del estudio es el académico posdoctoral Matthew Lovett-Barron, PhD.
Resulta que el estado de alerta involucra más de un solo interruptor de encendido / apagado. Antes del nuevo estudio, se pensaba que el estado de alerta en los vertebrados estaba controlado principalmente por un conjunto de neuronas que emanan de una estructura cerebral llamada locus coeruleus y que irradian a las regionesen todo el cerebro.
Extendiendo hallazgos a ratones
Es importante destacar que los investigadores extendieron sus hallazgos a los ratones, confirmando que los mismos circuitos vinculados al estado de alerta en el pez cebra están actuando de manera similar en los mamíferos, cuyos ancestros se separaron de los del pez cebra hace cientos de millones de años ". Esta estrecha conservación de la promoción del estado de alertalos circuitos durante épocas tan largas de tiempo evolutivo, más largos que los linajes de humanos y ratones, también tienen una gran importancia para los humanos ", dijo Deisseroth, quien tiene la cátedra DH Chen.
Los científicos de Stanford llaman al nuevo método que desarrollaron MultiMAP, que es la abreviatura de alineación multiplexada de fenotipos moleculares y de actividad. Les permite rastrear la actividad de casi todas las neuronas en el cerebro del pez cebra y luego identificar el tipo celular de cada neurona deinterés: el paso crucial para determinar qué circuitos neuronales participan en la inducción de un estado cerebral como el estado de alerta.
"Observamos cada neurona en el cerebro del pez durante la vida, cuando esas células estaban activando activamente, y aprendimos qué células estaban más activas en los momentos en que sabíamos que el pez estaba más alerta", dijo Deisseroth. "Luego, después deEl tejido cerebral de los peces se conservó con un fijador sin alterar las posiciones relativas de las células dentro de la cabeza del pez, podríamos apuntar a esas neuronas con sondas moleculares y determinar sus tipos de células ".
En particular, los investigadores querían explorar la actividad de los circuitos neuromoduladores del cerebro. Distintos de sus primos más binarios, alrededor del 98 por ciento de las neuronas en el cerebro actúan excitando o inhibiendo las neuronas posteriores, los grupos de neuronas neuromoduladoras envíanproyecciones que se ramifican en todo el cerebro y actúan menos como interruptores de encendido / apagado que como colores en el paladar de un artista. En lugar de excitar o inhibir, en cambio agregan matices al secretar sustancias que hacen que las neuronas excitadoras e inhibidoras sean más o menos propensas a dispararse en diversas circunstancias.
Los diferentes tipos de neuronas neuromoduladoras se pueden distinguir no solo por los diferentes tipos de sustancias que secretan, como la dopamina, la acetilcolina y la serotonina, sino también por varios marcadores biológicos, como las proteínas que aparecen en una célula neuromoduladora o no en otratipo.
El grupo del pez cebra Deisseroth examinado tenía solo 7-10 días de edad, una época en la que sus cuerpos tienen solo unos pocos milímetros de longitud y aún son relativamente transparentes, pero pueden ejecutar un comportamiento complejo. Esta característica, junto con algunos trucoslos científicos inventaron, permitieron la inspección óptica directa de la actividad neuronal en todo el cerebro.
pescado bioingeniería
El pez había sido bioingeniería para que el flujo de calcio dentro de una neurona, un excelente proxy para la conducción de impulsos dentro de esa célula, activara una señal fluorescente que podría ser captada y registrada mediante microscopía de alta potencia. Los investigadores restringieron las cabezas de los pecesincrustando a cada pequeño animal en un gel de agarosa, cortaron el gel de la cola del pez, cuyos movimientos serían clave para sus experimentos.
Para probar el estado de alerta, los investigadores presentaron al pez un estímulo visual que sugiere un depredador que se aproxima. Esto evoca una respuesta instintiva de balanceo de la cola, ya que el pez intenta alejarse del peligro inminente. Cada uno de los 34 larvas de pez cebra fue sometido aexposiciones repetidas al estímulo depredador inminente. Se midió el tiempo transcurrido entre cada exposición y el consiguiente movimiento de la cola del pez - el tiempo de reacción del animal - En cada caso, la fluorescencia representa la actividad dentro de decenas de miles de células nerviosas justo antesal estímulo fue capturado y registrado.
Después de la eutanasia humana y de preservar el tejido de los peces en fijador, el equipo dirigió sondas moleculares marcadas con fluorescencia a las neuronas de los animales e imaginó los resultados. Utilizando algoritmos, pudieron alinear los datos de actividad neural de sus experimentos con peces cebra vivoscon datos de identidad celular extraídos posteriormente de esos mismos peces.
Deisseroth y sus colegas identificaron múltiples poblaciones de neuronas anatómicamente y bioquímicamente distintas que eran más activas justo antes de las respuestas más rápidas de los peces al estímulo depredador inminente. Una de ellas era la población secretora de noradrenalina originada en el locus coeruleus, que ya estaba bien-se sabe que está involucrado en el estado de alerta. Esto fue tranquilizador, dijo Deisseroth, porque indicaba que el enfoque era válido.
Pero la red de arrastre también enganchó a otras poblaciones neuromoduladoras de neuronas, incluidas las células que liberan acetilcolina, serotonina, dopamina y los péptidos CART, somatostatina y neuropéptido Y. Si bien los niveles de actividad de todas estas poblaciones se correlacionaron con el estado de alerta, no lo hicieronse correlacionan perfectamente entre sí, lo que sugiere que cada población tiene su propio trabajo ligeramente diferente.
Guiados por sus hallazgos en el pez cebra, los investigadores luego se enfocaron en las poblaciones neuronales equivalentes en los cerebros mucho más complejos de los ratones. Para probar los tiempos de reacción de los ratones, entrenaron a los ratones para lamer en respuesta a una señal tonal particular; cuando los ratones lo hicieronentonces, fueron recompensados con una gota de agua potable.
El equipo de Deisseroth observó casi con precisión los mismos patrones de actividad en estos circuitos equivalentes en ratones que habían visto en los de los peces.
Los científicos dieron un paso más en los ratones: utilizaron la optogenética, una tecnología desarrollada en el laboratorio de Deisseroth, que permite que las neuronas sean excitadas o inhibidas por un pulso de luz con solo pulsar un interruptor, para demostrar, medianteactivando o inhibiendo diversas neuronas en una u otra población, que solo un subconjunto de los circuitos en cuestión eran capaces individualmente de aumentar el estado de alerta. Uno era el conjunto de neuronas provenientes del locus coeruleus; este conjunto funciona secretando la sustancia noradrenalina. Otro eraun grupo poco estudiado de las llamadas neuronas CART, que anteriormente se sabía que respondían a la cocaína y las anfetaminas, en una región del cerebro llamada núcleo Edinger-Westphal; y el tercero era un grupo de neuronas secretoras de acetilcolina en una estructura cerebral profunda llamadategmentum dorsal lateral. Otros tipos de células correlacionadas con el estado de alerta no influyeron directamente en el comportamiento; Deisseroth dijo que cree que estos circuitos neuromoduladores, en lugar de desencadenar directamenteestado de alerta, informe sobre su estado a otros circuitos cerebrales.
Según Deisseroth, los nuevos hallazgos abren la puerta a una ruta completamente nueva de exploración adicional. "Cuanto más comprendemos el paisaje de las neuronas que subyacen a un estado cerebral como el estado de alerta, más entendemos el concepto del estado cerebral mismo, y nosotrosincluso podría ayudar a diseñar intervenciones clínicas dirigidas al estado cerebral "
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Materiales proporcionado por Centro médico de la Universidad de Stanford . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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