Deconstruyendo el cableado cerebral, una neurona a la vez

Febrero 28, 2007

Deconstruyendo el cableado cerebral, una neurona a la vez

Febrero 28, 2007

La Jolla, CA – Los investigadores han dicho durante mucho tiempo que no podrán comprender el cerebro hasta que puedan elaborar un "diagrama de cableado", un mapa de cómo están interconectadas miles de millones de neuronas. Ahora, investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos han superado lo que muchos creen que es un obstáculo importante para preparar ese gráfico: identificar todas las conexiones a una sola neurona.

En el número del 1 de marzo de la revista Neurona, los investigadores describen cómo modificaron el virus de la rabia mortal, convirtiéndolo en una herramienta que puede cruzar el espacio sináptico de una célula nerviosa objetivo solo una vez para identificar todas las neuronas a las que está conectado directamente.

"Queríamos hacer esto durante mucho tiempo y finalmente encontramos una manera de hacerlo posible", dice el autor principal del estudio. edward m callaway, Ph.D., profesor de los Laboratorios de Neurobiología de Sistemas. "Nos ofrecerá una visión sin precedentes del cerebro".

El problema al que se enfrentan los neurocientíficos "es similar al de un usuario de computadora que intenta descubrir cómo funciona el chip electrónico de la máquina mirándolo; no hay manera de descubrir cómo están conectadas las cosas", dice Callaway. "Si te dieran un diagrama de cableado, podrías empezar a entender cómo el chip mueve la electricidad y cómo hace funcionar la computadora".

Los neurocientíficos también quieren deconstruir el flujo de señales eléctricas en la arquitectura extraordinariamente compleja del cerebro y luego correlacionar estos circuitos neuronales con funciones cerebrales como la percepción y el comportamiento. Pero estos circuitos son difíciles de desentrañar porque docenas de tipos neuronales diferentes están enredados dentro de una red conectada con precisión, e incluso las neuronas vecinas del mismo tipo difieren en conectividad y función.

Entonces, los investigadores han estado tratando de descubrir el patrón de conexiones típico de un tipo de neurona, para ver con qué otros tipos de células se conectan y cómo se configuran esas conexiones. Para hacer esto, necesitan un marcador que pueda romper la cadena de neuronas conectadas directamente, identificándolas una por una.

Los virus que se propagan naturalmente entre las neuronas se han utilizado anteriormente para delinear el flujo de comunicación de las células nerviosas, pero tienen dos inconvenientes. Primero, una vez dentro del cerebro, siguen propagándose de una célula a otra sin detenerse. En segundo lugar, cruzan diferentes sinapsis (las uniones especializadas entre células nerviosas) a diferentes velocidades, cruzando sinapsis más grandes y más fuertes más rápido que las más pequeñas y débiles. En conjunto, estos atributos hacen que estos virus sean incapaces de determinar exactamente qué células están conectadas a cuál. El equipo de investigadores de Salk intentó crear un virus modificado cuya propagación pudiera limitarse a una única conexión sináptica.

"La idea central es utilizar un virus al que le falta un gen necesario para propagarse a través de las sinapsis, pero proporcionar el gen faltante por algún otro medio dentro de las células inicialmente infectadas", dice Ian Wickersham, Ph.D., investigador postdoctoral y autor principal. sobre el proyecto.

Con el gen crítico eliminado de su genoma, el virus queda aislado dentro de una célula, incapaz de propagarse más allá de ella. Sin embargo, suministrar el gen que falta en esa misma célula permite que el virus se propague a las células que están directamente conectadas a él. Dado que estas células vecinas carecen del gen suministrado en la primera célula, el virus está atascado. Solo se etiquetan las celdas conectadas directamente a la celda original.

El segundo desafío del equipo fue encontrar una manera de dirigir la infección viral específicamente a células particulares, de modo que el virus pudiera usarse para mapear las conexiones de tipos de células de interés o incluso de células individuales. La solución surgió de una conversación entre Callaway y el Dr. John Young, profesor del Laboratorio de Enfermedades Infecciosas y coautor del estudio. Cuando Callaway describió el problema, Young sugirió inmediatamente la respuesta, que se basa en un receptor viral aviar que Young descubrió como becario postdoctoral en la UCSF. La proteína que normalmente recubre las partículas del virus de la rabia fue reemplazada por su equivalente del virus de las aves. Esto evitó que el virus de la rabia modificado infectara neuronas de mamíferos, a menos que hubieran sido diseñadas para expresar el receptor del virus de las aves, una proteína de la superficie de las células de las aves conocida como TVA. Estas neuronas se "disfrazarán" de células de pájaro y el virus de la rabia, que ahora actúa como un virus de pájaro, las infectará.

"La conclusión es que se necesitan dos genes expresados ​​en la célula o tipo de célula de interés: TVA, para introducir el virus de la rabia, y el gen viral faltante para que el virus pueda propagarse a las células conectadas", dice Wickersham.

Experimentando con cortes de cerebro de rata neonatal, los investigadores de Salk insertaron estos dos genes en neuronas seleccionadas, así como un gen que emite una fluorescencia roja cuando se expresa. Luego aplicaron el virus de la rabia modificado, al que además se le había dado la capacidad de hacer que las células infectadas emitieran una fluorescencia verde. El resultado fue espectacular: como era de esperar, estos glóbulos rojos fueron infectados selectivamente por el virus, que se propagó a cientos de células circundantes, volviéndolas de un verde fluorescente brillante.

Si bien estos experimentos se realizaron utilizando cortes de cerebro, es posible producir ratones transgénicos que expresen genes específicos en una clase específica de neuronas, dice Callaway. "Todas las neuronas del tipo que seleccionamos expresarán entonces el receptor viral aviar y la proteína del virus de la rabia, permitiendo que el virus de la rabia modificado infecte las células específicas y se propague sólo una vez a las células conectadas", añade. El mapa de cableado se puede construir paso a paso a medida que se obtienen imágenes de las poblaciones posteriores de células.

El virus de la rabia recombinante podría contener genes para cualquier proteína de interés, dice Callaway, y agrega que una vez que los científicos pueden identificar un circuito neuronal, pueden desactivarlo y probar cambios en la función cerebral.

El estudio fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud y por Deutsche Forschungsgemeinschaft. Los coautores adicionales incluyen a Salk: David C. Lyon, Ph.D., Takuma Mori, Ph.D., y Richard JO Barnard, Ph.D.; y Stefan Finke, Ph.D. y Karl-Klaus Conzelmann, Ph.D., de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich, Alemania.

El Instituto Salk de Estudios Biológicos en La Jolla, California, es una organización independiente sin fines de lucro dedicada a los descubrimientos fundamentales en las ciencias de la vida, la mejora de la salud humana y la capacitación de futuras generaciones de investigadores. Jonas Salk, MD, cuya vacuna contra la poliomielitis casi erradicó la poliomielitis, una enfermedad paralizante en 1955, inauguró el Instituto en 1965 con un terreno donado por la ciudad de San Diego y el apoyo financiero de March of Dimes.