La insulina juega un papel en la mediación de las percepciones y comportamientos de los gusanos.

La insulina juega un papel en la mediación de las percepciones y comportamientos de los gusanos.

Usando gusanos redondos que olfatean sal, los científicos de Salk ayudan a explicar cómo el sistema nervioso procesa la información sensorial

LA JOLLA, CA—En los últimos años, a medida que las herramientas y técnicas de imágenes han mejorado, los científicos han estado trabajando incansablemente para construir un mapa detallado de las conexiones neuronales en el cerebro humano, con la última esperanza de comprender cómo funciona la mente.

Pero determinar cómo están conectadas físicamente las células del cerebro es solo la primera pista para decodificar nuestras percepciones y comportamientos. También necesitamos conocer las rutas precisas que toma la información en el cerebro en un contexto dado. Ahora, publicando sus resultados el 8 de septiembre de 2013, en la revista Nature Neuroscience, investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos han mostrado un ejemplo sorprendente de la flexibilidad en los circuitos neuronales y su influencia en el comportamiento de los gusanos, dependiendo del entorno de los animales.

el gusano redondo Caenorhabditis elegans tiene exactamente 302 neuronas, mucho menos que los 100 mil millones de neuronas estimados que tiene una persona, y ya sabemos cómo está conectado cada uno de ellos. Eso, además de la facilidad con la que se pueden manipular las células de la pequeña criatura, permite a los investigadores preguntarse qué tipo de información pasa a través de los circuitos, en detalle a nivel molecular y de circuito, y cuáles son las consecuencias conductuales de este flujo de información.

Los científicos Sarah Leinwand y Sreekanth Chalasani

Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

Sin embargo, incluso con un mapa completo de las conexiones neuronales del gusano en la mano, los científicos aún no saben cómo el animal puede interactuar con su entorno de miles de maneras diferentes. Esa es una gran pregunta que Sreekanth Chalasani, profesor asistente en Salk's Laboratorio de Neurobiología Molecular y Sara Leinwand, estudiante de doctorado en la Universidad de California, San Diego, trató de responder.

In C. elegans, gracias a estudios realizados hace más de 20 años, se identificó que muchas neuronas sensoriales desempeñan distintas funciones, como detectar la temperatura, las feromonas, la sal y los olores. Para saber qué hacían estas células, los científicos las habían eliminado una por una con un láser y midieron el comportamiento de los gusanos. Estos estudios implicaron a una neurona en la detección de un aumento de sal en el entorno del gusano.

En el nuevo estudio, en lugar de extirpar neuronas sensoriales individuales, Leinwand y Chalasani tomaron imágenes de gusanos que expresaban indicadores de calcio codificados genéticamente en sus neuronas, lo que hacía que las células se iluminaran cuando estaban activas. Sorprendentemente, después de la exposición a una atractiva pero alta concentración de sal, la neurona sensorial olfativa de los gusanos se iluminó.

“Nos sorprendió mucho ver que con estas nuevas herramientas, estos nuevos sensores de calcio, pudimos descubrir que había más de un tipo de neurona involucrada en el procesamiento de señales sensoriales que la gente pensaba que solo percibían neuronas individuales”, dice Leinwand.

Arriba: Se encontró inesperadamente que una neurona sensora de olores (llamada AWC y mostrada en verde) en la cabeza del gusano respondía a la sal en el ambiente.

Abajo: imágenes de mayor aumento de esta neurona antes (izquierda) y durante (derecha) la presentación de sal. La neurona emite un indicador de calcio que hace que la neurona se ilumine (indicado por los colores blanco y más cálido) cuando está activa; la exposición a la sal iluminó significativamente esta neurona, lo que reveló la complejidad del sistema sensorial del gusano.

Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

Usando manipulaciones genéticas adicionales y ensayos de comportamiento, los investigadores demostraron que la neurona olfativa, aunque sigue siendo importante para detectar olores, era crucial para el movimiento del gusano hacia la sal dentro de un cierto rango de concentración. Inesperadamente, la respuesta de esta neurona a la sal también requería la neurona sensible a la sal previamente identificada. De hecho, la neurona olfativa no estaba sintiendo directamente la sal, sino que estaba siendo activada por la neurona sensorial de la sal, encontraron.

¿Qué información estaba enviando la neurona sensible a la sal a la neurona olfativa? Las neuronas se comunican entre sí mediante el envío de señales químicas y eléctricas a través de contactos cercanos con sus vecinos. Al probar gusanos cuyas moléculas de señalización habían sido eliminadas genéticamente, Chalasani y Leinwand pudieron ver cuáles desempeñaban un papel en la transmisión cuando el gusano era estimulado por un nivel más alto de sal. A partir de estos experimentos, vieron que la neurona sensible a la sal liberaba un neuropéptido, una pequeña proteína presente en las neuronas, para dar forma al comportamiento del animal.

Identificar el neuropéptido (o neuropéptidos) responsable de la señalización dependiente del contexto fue la parte más desafiante del estudio, porque el gusano tiene 115 genes que codifican unos 250 neuropéptidos, dice Chalasani. Afortunadamente, solo hay cuatro máquinas moleculares diferentes que procesan todos estos péptidos; Mediante el uso de knockouts genéticos de cada uno de los cuatro, Leinwand y Chalasani pudieron reducir rápidamente la lista a unos 40 genes que codificaban neuropéptidos de insulina.

Uno por uno, el equipo rastreó las respuestas de las neuronas olfatorias al alto contenido de sal en los gusanos a los que les faltaba cada gen, y descubrió que los gusanos que carecían del gen de un neuropéptido de insulina conocido como INS-6 no respondían a los aumentos de sal. Reponer este péptido restableció las respuestas normales del animal al alto contenido de sal.

Los científicos de Salk descubrieron que la insulina juega un papel en la mediación de las percepciones y comportamientos de los gusanos redondos.

Esta imagen muestra un C. elegante, la especie de ascáride que estudiaron los investigadores de Salk.

Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

"Fue gratificante ver que, si bien puede haber más de una señal peptídica, las contribuciones del INS-6 son ciertamente significativas", dice Leinwand. Ella y Chalasani también encontraron el receptor específico en el extremo receptor de las neuronas olfativas.

Que la insulina fuera la principal molécula de señalización que reclutaba a la neurona olfativa en un circuito de detección de sal fue una gran sorpresa.

“Tradicionalmente, se ha pensado que los neuropéptidos modulan la función neuronal durante muchos segundos a muchos minutos”, dice Chalasani. "Pero en este caso particular, parece que la insulina actúa en menos de un segundo para transferir información de la neurona que detecta la sal a la neurona que normalmente responde al olor".

Una comunicación similar de neuropéptidos también puede crear circuitos neuronales flexibles que medien los diversos comportamientos que otros animales y personas realizan en sus entornos. La insulina tiene muchas funciones en las personas, por ejemplo, se ha relacionado con el envejecimiento y el metabolismo, pero hasta ahora solo se ha demostrado que funciona en una escala de tiempo más lenta, de minutos.

Chalasani y Leinwand planean investigar si hay otros interruptores de circuitos neuronales rápidos en los gusanos y, de ser así, si esos interruptores actúan a través de la señalización de neuropéptidos o algún otro mecanismo. También están interesados ​​en cómo cambia el interruptor del circuito a medida que el animal envejece. “Se esperaría que a medida que el animal envejece, parte de esta comunicación se vuelve menos eficiente”, dice Chalasani.

Este trabajo fue apoyado por la Programa de Becarios Searle, March of Dimes, Fundación Whitehall, Fundación Rita Allen, Los Institutos Nacionales de Salud y Fundación Nacional de Ciencias.

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.