Herramienta de mapeo cerebral mejorada 20 veces más poderosa que la versión anterior

Herramienta de mapeo cerebral mejorada 20 veces más poderosa que la versión anterior

La tecnología mejorada del virus de la rabia del equipo de Salk mapea las neuronas en grandes franjas del sistema nervioso

LA JOLLA—Los científicos del Instituto Salk han desarrollado un nuevo reactivo para mapear la compleja red de conexiones del cerebro que es 20 veces más eficiente que su versión anterior. Esta herramienta mejora una técnica llamada rastreo del virus de la rabia, que se desarrolló originalmente en el Callaway lab en Salk y se usa comúnmente para mapear conexiones neuronales.

El rastreo viral de la rabia utiliza una versión modificada del virus de la rabia que salta entre las neuronas, iluminando las conexiones en el camino. El mapa iluminado permite a los investigadores rastrear con precisión qué neuronas se conectan entre sí. Visualizar este circuito neural puede ayudar a los científicos a aprender más sobre condiciones que van desde enfermedades motoras hasta trastornos del neurodesarrollo.

“Para comprender verdaderamente la función cerebral, debemos comprender cómo se conectan entre sí los diferentes tipos de neuronas en muchas áreas cerebrales distantes. Los métodos de rastreo de la rabia que hemos desarrollado lo hicieron posible, pero solo etiquetamos una fracción de todas las conexiones”, dice Edward Callaway, profesor de Salk y autor principal del nuevo artículo, publicado el 14 de abril de 2016 en la revista. Cell Reports.

Agrega que una mejora tan dramática en una herramienta crítica para la neurociencia ayudará a los investigadores a esclarecer aspectos de los trastornos cerebrales donde la conectividad y el procesamiento global fallan, como en el autismo y la esquizofrenia.

Las conexiones de larga distancia entre las neuronas son clave para lo que se denomina procesamiento global en el cerebro. Imagine una pelota que navega hacia un receptor. Los circuitos visuales del receptor procesarán la información sobre la pelota y la enviarán a los circuitos motores del cerebro. Los circuitos motores luego dirigen los nervios en el brazo y la mano del receptor para agarrar la pelota. Ese procesamiento global se basa en circuitos neuronales de larga distancia que forman conexiones precisas con tipos de neuronas específicos; estos circuitos se pueden revelar con trazadores virales de la rabia.

“Con este nuevo rastreador de la rabia, podemos visualizar la conectividad neurona por neurona y a través de neuronas de entrada de larga distancia mejor que con los rastreadores de la rabia anteriores”, dice Euiseok Kim, investigador asociado de Salk y primer autor del artículo.

Hay miles de millones de neuronas en el cerebro y solo un puñado de tecnologías que pueden mapear la comunicación que se produce entre ellas. Algunas técnicas de imagen, como las resonancias magnéticas funcionales, pueden visualizar una comunicación a gran escala en todo el cerebro, pero no se centran en el nivel celular. La electrofisiología y la microscopía electrónica pueden rastrear la conectividad de célula a célula, pero no son adecuadas para mapear circuitos neuronales en todo el cerebro.

Los métodos de rastreo que utilizan virus neurotrópicos, como el de la rabia, se han utilizado durante mucho tiempo para rastrear las conexiones a través de las vías neurales. Pero estos virus se propagan ampliamente por todo el cerebro a través de múltiples circuitos, lo que dificulta determinar qué neuronas están directamente conectadas. En 2007, el laboratorio de Callaway fue pionero en un nuevo enfoque basado en el virus de la rabia modificado genéticamente. Este enfoque permitió que la infección viral se dirigiera a tipos específicos de neuronas y también permitió controlar la propagación del virus. El resultado es que este sistema ilumina las neuronas en todo el cerebro, pero etiqueta solo aquellas que están directamente conectadas a las neuronas de interés.

Para controlar la distancia que viaja el virus, los científicos se aseguran de que el virus de la rabia solo pueda infectar a un grupo selecto de neuronas. Primero, los científicos eliminan y reemplazan la capa externa crucial del virus de la rabia, llamada glicoproteína. El virus necesita esta capa de glicoproteínas para entrar e infectar las células, pero la glicoproteína de reemplazo evita que el virus infecte las neuronas normales. Luego, los científicos modifican un grupo de neuronas en ratones para convertirlas en las llamadas "células iniciadoras" que son especialmente susceptibles a la infección con la glicoproteína modificada. Las células iniciadoras también están programadas para proporcionar las glicoproteínas de la rabia de modo que una vez que se infecta una célula iniciadora, las nuevas copias del marcador de la rabia pueden propagarse a través de las sinapsis de la célula iniciadora hacia las neuronas conectadas. Sin embargo, una vez que el marcador viral de la rabia está en el siguiente conjunto de neuronas, no encontrará la glicoproteína que necesita para continuar propagándose, y así termina el rastro de infección a través de los circuitos neuronales.

Aunque el rastreador viral original de la rabia rastrea con precisión los circuitos, solo cruzaba una fracción de las sinapsis de la célula iniciadora. El equipo de investigación de Salk se dedicó a diseñar un marcador viral de la rabia más eficiente. Primero, los investigadores tomaron piezas de varias cepas de rabia para crear nuevas glicoproteínas quiméricas y luego probaron las versiones contando las células marcadas en circuitos conocidos.

La glicoproteína quimérica ganadora se modificó genéticamente con una técnica llamada optimización de codones para aumentar los niveles de la glicoproteína producida en las células iniciadoras. En comparación con el rastreador de rabia original, el nuevo rastreador optimizado por codón aumentó la eficiencia de rastreo para las neuronas de entrada de larga distancia hasta 20 veces.

“Aunque esta versión mejorada es mucho mejor, todavía hay oportunidades para mejorar aún más el rastreador de la rabia a medida que continuamos examinando otras cepas de la rabia”, dice Kim.

Otros coautores del estudio fueron Matthew Jacobs y Tony Ito-Cole del Laboratorio de Neurobiología de Sistemas del Instituto Salk.

Este trabajo fue financiado en parte por el Los Institutos Nacionales de Salud, Fundación Caritativa Gatsby y del Instituto Médico Howard Hughes Premio a la Innovación Colaborativa.