Las neuronas en el cerebro se comunican a través de impulsos eléctricos rápidos que permiten al cerebro coordinar el comportamiento, la sensación, los pensamientos y las emociones. Los científicos que desean estudiar esta actividad eléctrica generalmente miden estas señales con electrodos insertados en el cerebro, una tarea que es notoriamente notoriadifícil y lento.
Los investigadores del MIT ahora han ideado un enfoque completamente diferente para medir la actividad eléctrica en el cerebro, que creen será mucho más fácil y más informativo. Han desarrollado una proteína sensible a la luz que puede integrarse en las membranas neuronales, dondeemite una señal fluorescente que indica cuánto voltaje está experimentando una célula en particular, lo que podría permitir a los científicos estudiar cómo se comportan las neuronas, milisegundo por milisegundo, a medida que el cerebro realiza una función particular.
"Si pones un electrodo en el cerebro, es como tratar de entender una conversación telefónica al escuchar hablar a una sola persona", dice Edward Boyden, profesor asociado de ingeniería biológica y ciencias cerebrales y cognitivas en el MIT. "Ahora podemosregistre la actividad neuronal de muchas células en un circuito neuronal y escúchelas mientras se hablan ".
Boyden, quien también es miembro del Media Lab del MIT, el Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro y el Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer, y un Académico de la Facultad HHMI-Simons, es el autor principal del estudio, que aparece en febrero.26 edición de Biología química de la naturaleza . Los autores principales del artículo son los postdocs del MIT Kiryl Piatkevich y Erica Jung.
voltaje de imagen
Durante las últimas dos décadas, los científicos han buscado una forma de monitorear la actividad eléctrica en el cerebro a través de imágenes en lugar de grabar con electrodos. Encontrar moléculas fluorescentes que puedan usarse para este tipo de imágenes ha sido difícil; no solo las proteínas tienenPara ser muy sensibles a los cambios en el voltaje, también deben responder rápidamente y ser resistentes al fotoenclavamiento decoloración que puede ser causada por la exposición a la luz.
Boyden y sus colegas idearon una nueva estrategia para encontrar una molécula que cumpliera con todo en esta lista de deseos: construyeron un robot que podría detectar millones de proteínas, generadas a través de un proceso llamado evolución dirigida de proteínas, para los rasgos que querían.
"Tomas un gen, luego haces millones y millones de genes mutantes, y finalmente eliges los que funcionan mejor", dice Boyden. "Así es como funciona la evolución en la naturaleza, pero ahora lo estamos haciendo.en el laboratorio con robots para que podamos seleccionar 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, que el laboratorio de Boyden informó en2010. Los investigadores colocaron cada uno de esos genes en células de mamíferos un mutante por célula, luego cultivaron las células en placas de laboratorio y utilizaron un microscopio automático para tomar imágenes de las células. El robot pudo identificar células con proteínas que se reunieronlos criterios que buscaban los investigadores, siendo el más importante la ubicación de la proteína dentro de la célula y su brillo.
El equipo de investigación luego seleccionó cinco de los mejores candidatos e hizo otra ronda de mutación, generando 8 millones de nuevos candidatos. El robot seleccionó los siete mejores, que los investigadores luego redujeron a un mejor desempeño, que llamaron Archon1.
mapeo del cerebro
Una característica clave de Archon1 es que una vez que el gen se entrega a 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 del ratón, así como en las células cerebrales de las larvas de pez cebra y el gusano Caenorhabditis elegans. Los últimos dos organismos son transparentes, por lo que es fácil exponerlos a la luze imágenes de la fluorescencia resultante. Cuando las células se exponen a una determinada longitud de onda de luz naranja-rojiza, el sensor de proteínas emite una longitud de onda más larga de luz roja, y el brillo de la luz corresponde al voltaje de esa célula en un momento dado enhora.
Los investigadores también demostraron que Archon1 se puede usar junto con proteínas sensibles a la luz que se usan comúnmente para silenciar o estimular la actividad de las neuronas, conocidas como proteínas optogenéticas, siempre que esas proteínas respondan a colores distintos al rojo.En experimentos con C. elegans, los investigadores demostraron que podían estimular una neurona usando luz azul y luego usar Archon1 para medir el efecto resultante en las neuronas que reciben información de esa célula.
Los investigadores ahora están trabajando en el uso de esta tecnología para medir la actividad cerebral en ratones a medida que realizan diversas tareas, lo que Boyden cree que debería permitirles mapear los circuitos neuronales y descubrir cómo producen comportamientos específicos.
"Podremos ver cómo ocurre un cálculo neuronal", dice. "En los próximos cinco años más o menos vamos a tratar de resolver algunos pequeños circuitos cerebrales por completo. Estos resultados podrían dar un paso hacia la comprensión de quépensamiento o un sentimiento realmente es "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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