La técnica de mapeo de alta resolución descubre la arquitectura del circuito subyacente del cerebro

La técnica de mapeo de alta resolución descubre la arquitectura del circuito subyacente del cerebro

Estudio conjunto Salk-Gladstone para ayudar a los científicos a decodificar los circuitos que guían la función cerebral

LA JOLLA, CA—El poder del cerebro radica en sus trillones de conexiones intercelulares, llamadas sinapsis, que juntas forman “redes” neuronales complejas. Si bien los neurocientíficos han buscado durante mucho tiempo mapear estas conexiones individuales para ver cómo influyen en funciones cerebrales específicas, las técnicas tradicionales no han tenido éxito. Ahora, los científicos del Instituto Salk y los Institutos Gladstone, utilizando una técnica innovadora de rastreo cerebral, han encontrado una manera de desenredar estas redes. Estos hallazgos ofrecen una nueva perspectiva sobre cómo las regiones específicas del cerebro se conectan entre sí, al mismo tiempo que revelan pistas sobre lo que puede suceder, neurona por neurona, cuando se interrumpen estas conexiones.

En el último número de Neurona, equipo dirigido por eduardo callaway, profesor de Salk y titular de la Cátedra Audrey Geisel en Ciencias Biomédicas, y anatol kreitzer, un investigador de Gladstone, combinó modelos de ratón con una técnica de rastreo sofisticada, conocida como sistema monosináptico del virus de la rabia—para ensamblar mapas de neuronas de todo el cerebro que se conectan con los ganglios basales, una región del cerebro que está involucrada en el movimiento y la toma de decisiones. Es importante desarrollar una comprensión anatómica detallada de esta región, ya que podría informar la investigación sobre los trastornos que pueden atribuirse a la disfunción de los ganglios basales, incluidos ambos Enfermedad de Parkinson y enfermedad de Huntington.

"El enfoque del virus de la rabia monosináptico, iniciado por el Dr. Callaway, es ingenioso en la exquisita precisión que ofrece en comparación con los métodos anteriores, que eran más confusos y con una resolución mucho más baja", explicó Kreitzer, quien también es profesor asistente de neurología y fisiología. en el Universidad de California, San Francisco, con la que está afiliado Gladstone. “En este artículo, llevamos el enfoque un paso más allá al activar el marcador genéticamente, lo que garantiza que solo se active en neuronas específicas en los ganglios basales. Este es un gran avance tecnológico, ya que podemos estar seguros de que solo estamos siguiendo las redes que se conectan a tipos particulares de células en los ganglios basales de otras partes del cerebro”.

La imagen del microscopio muestra células nerviosas en el cerebro del ratón que han sido marcadas con un virus de la rabia modificado. Estas células envían conexiones directas al cuerpo estriado, una región del cerebro que regula el movimiento voluntario. El cuerpo estriado se altera en los trastornos degenerativos como la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Huntington.

Imagen: Cortesía de Nicholas Wall, Instituto Salk de Estudios Biológicos

En Gladstone, Kreitzer centra su investigación en los ganglios basales en relación con el Parkinson. El año pasado, él y su equipo publicaron una investigación que reveló pistas sobre la relación entre dos tipos de neuronas que se encuentran en la región y cómo guían tanto el movimiento como la toma de decisiones. Estos dos tipos, llamados neuronas espinosas medianas de vía directa (dMSN) y neuronas espinosas medianas de vía indirecta (iMSN), actúan como fuerzas opuestas. Los dMSN inician el movimiento, como el acelerador, y los iMSN inhiben el movimiento, como el freno. La última investigación del laboratorio de Kreitzer descubrió además que estos dos tipos también están involucrados en el comportamiento, específicamente en la toma de decisiones, y que las disfunciones en dMSN e iMSN están asociadas con comportamientos adictivos y depresivos, respectivamente. Estos hallazgos fueron importantes porque proporcionaron un vínculo entre la degeneración neuronal física que se observa en los trastornos del movimiento, como el Parkinson, y algunos de los aspectos conductuales de la enfermedad. Pero este estudio todavía dejó muchas preguntas sin respuesta.

"Por ejemplo, aunque ese estudio y otros similares revelaron las funciones de dMSN e iMSN en el movimiento y el comportamiento, sabíamos muy poco sobre cómo otras regiones del cerebro influyeron en la función de estos dos tipos de neuronas", dijo Nicholas Wall, un postdoctorado del Instituto Salk. compañero y el primer autor del artículo. “El sistema del virus de la rabia monosináptica nos ayuda a abordar esa pregunta”.

El sistema, desarrollado originalmente en 2007 y refinado por Wall y Callaway para atacar tipos de células específicos en 2010, utiliza una versión modificada del virus de la rabia para "infectar" una región del cerebro, que a su vez se dirige a las neuronas que están conectadas a ella. Cuando el sistema se aplicó en modelos genéticos de ratones, el equipo pudo ver específicamente cómo las estructuras sensoriales, motoras y de recompensa en el cerebro se conectaban a los MSN en los ganglios basales. Lo que encontraron fue sorprendente.

“Nos dimos cuenta de que algunas regiones mostraban una preferencia por transmitir a dMSN frente a iMSN, y viceversa”, dijo Kreitzer. “Por ejemplo, las neuronas que residen en la corteza motora del cerebro tienden a preferir los iMSN, mientras que las neuronas de los sistemas sensorial y límbico prefieren los dMSN. Esta organización a pequeña escala, que habría sido prácticamente imposible de observar con las técnicas tradicionales, nos permite predecir las distintas funciones de estos dos tipos de neuronas”.

“Estos resultados iniciales deben tratarse como un recurso no solo para decodificar cómo esta red guía la amplia gama de funciones cerebrales muy distintas, sino también cómo las disfunciones en diferentes partes de esta red pueden conducir a diferentes condiciones neurológicas”, dijo Callaway. "Si podemos usar el sistema del virus de la rabia para identificar distintas interrupciones de la red en distintos tipos de enfermedades, podríamos mejorar significativamente nuestra comprensión de los mecanismos moleculares subyacentes de estas enfermedades y acercarnos aún más al desarrollo de soluciones para ellos".

Esta investigación fue apoyada por el Fundación Caritativa Gatsby y del Los Institutos Nacionales de Salud.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.

Acerca de los Institutos Gladstone:
Gladstone es una organización de investigación biomédica independiente y sin fines de lucro dedicada a acelerar el ritmo del descubrimiento científico y la innovación para prevenir, tratar y curar enfermedades cardiovasculares, virales y neurológicas. Gladstone está afiliado a la Universidad de California, San Francisco.