Investigadores han desarrollado un método para aprovechar la luz de forma segura y eficaz para medir la actividad en células cerebrales vivas.
Hace una década, un grupo de científicos tuvo la brillante idea de utilizar la bioluminiscencia para visualizar la actividad cerebral.
“Empezamos a pensar: ‘¿Qué pasaría si pudiéramos iluminar el cerebro desde dentro?’”, afirma Christopher Moore, profesor de neurociencia en la Universidad de Brown.
“Iluminar el cerebro se utiliza para medir la actividad –generalmente a través de un proceso llamado fluorescencia– o para estimular la actividad en las células para probar su función. Sin embargo, el uso de láseres en el cerebro tiene desventajas en los experimentos, a menudo requiriendo equipos sofisticados y una menor tasa de éxito. Pensamos que podríamos utilizar la bioluminiscencia en su lugar.”
Con una importante subvención de la National Science Foundation, el Bioluminescence Hub en el Carney Institute for Brain Science de Brown se lanzó en 2017, gracias a la colaboración entre Moore (codirector del Carney Institute), Diane Lipscombe (directora del instituto), Ute Hochgeschwender (de Central Michigan University) y Nathan Shaner (de la Universidad de California en San Diego).
El objetivo de los científicos era desarrollar y difundir herramientas de neurociencia basadas en la capacidad de las células del sistema nervioso para producir y responder a la luz.
En un estudio publicado en Nature Methods, el equipo describió una herramienta de bioluminiscencia que ha desarrollado recientemente. Llamado Ca2+ BioLuminescence Activity Monitor –o “CaBLAM”, en resumen–, el dispositivo captura la actividad a nivel de célula única y subcelular a alta velocidad y funciona bien en ratones y peces cebra, permitiendo registros de varias horas y eliminando la necesidad de luz externa.
Moore explica que Shaner, profesor asociado de neurociencia y farmacología en UC San Diego, lideró el desarrollo del dispositivo molecular que se convirtió en CaBLAM: “CaBLAM es una molécula realmente asombrosa que creó Nathan”, dice Moore. “Está a la altura de su nombre.”
Medir la actividad continua de las células cerebrales vivas es esencial para comprender las funciones de los organismos biológicos, según Moore. El enfoque actual más común utiliza la imagenología con indicadores de calcio codificados genéticamente basados en la fluorescencia.
“En el funcionamiento de la fluorescencia, se iluminan haces de luz sobre algo y se obtiene una longitud de onda diferente de los haces de luz”, explica Moore, quien dirige el Bioluminescence Hub.
“Se puede hacer que este proceso sea sensible al calcio para obtener proteínas que reflejen una cantidad o color de luz diferente, dependiendo de si está presente o no el calcio, con una señal brillante.”
Aunque las sondas fluorescentes son útiles en muchos contextos, señala que existen limitaciones significativas para su uso en el monitoreo de la actividad cerebral. En primer lugar, bombardear el cerebro con grandes cantidades de luz externa durante un período prolongado puede dañar las células. En segundo lugar, la iluminación de alta intensidad puede provocar que la molécula involucrada en la fluorescencia cambie su estructura de modo que ya no pueda emitir suficiente luz, lo que se conoce como fotoblanqueo y limita el tiempo que se puede utilizar la fluorescencia. Por último, iluminar el cerebro implica el uso de equipos, como láseres y fibras, que requieren un enfoque más invasivo.
En contraste, la producción de luz bioluminiscente, donde la luz se produce cuando una enzima descompone una molécula pequeña específica, tiene varias ventajas. Debido a que las sondas de bioluminiscencia no implican luz externa brillante, no existe riesgo de fotoblanqueo y tampoco tienen un efecto fototóxico, por lo que son más seguras para la salud cerebral.
Además, la luz facilita la visualización.
“El tejido cerebral ya brilla débilmente por sí solo cuando es golpeado por la luz externa, creando ruido de fondo”, dice Shaner.
“Además, el tejido cerebral dispersa la luz, difuminando tanto la luz que entra como la señal que sale. Esto hace que las imágenes sean más tenues, más borrosas y más difíciles de ver en las profundidades del cerebro. El cerebro no produce bioluminiscencia de forma natural, por lo que cuando las neuronas diseñadas genéticamente brillan por sí solas, destacan sobre un fondo oscuro con casi ninguna interferencia. Y con la bioluminiscencia, las células cerebrales actúan como sus propios faros: solo tienes que observar la luz que sale, lo que es mucho más fácil de ver incluso cuando se dispersa a través del tejido.”
La idea de medir la actividad cerebral con bioluminiscencia ha existido durante décadas, dice Moore, pero nadie había logrado hacer que la luz bioluminiscente fuera lo suficientemente brillante como para permitir una imagen detallada de la actividad de las células cerebrales, hasta ahora.
“El artículo actual es emocionante por muchas razones”, afirma Moore. “Estas nuevas moléculas han proporcionado, por primera vez, la capacidad de ver células individuales activadas de forma independiente, casi como si se utilizara una cámara de cine muy especial y sensible para grabar la actividad cerebral a medida que ocurre.”
La nueva herramienta puede capturar el comportamiento de una sola neurona en un animal de laboratorio vivo, incluso hasta la actividad dentro de los subcompartimentos de las células. En el estudio, el equipo mostró datos de una sesión de grabación que duró cinco horas continuas, lo que habría sido imposible utilizando el método de fluorescencia limitado en el tiempo.
“Para estudiar el comportamiento complejo o el aprendizaje, la bioluminiscencia permite capturar todo el proceso, con menos equipos involucrados”, dice Moore.
Este trabajo forma parte de un esfuerzo más amplio del centro para crear nuevas formas de controlar y observar la actividad cerebral. Un proyecto utiliza una célula viva para enviar una ráfaga de luz que es detectada por una célula vecina, permitiendo efectivamente que las neuronas se comuniquen a través de la luz (lo que Moore llama “reconectar el cerebro con la luz”). El equipo también está diseñando nuevos métodos que utilizan el calcio para controlar la actividad celular. A medida que estas ideas tomaron forma, quedó claro que todas ellas dependían de sensores de calcio más brillantes y mejores. Ese se ha convertido en un enfoque clave, dice Moore.
“Nos aseguramos de que, como centro que intenta impulsar el campo, creáramos las piezas componentes necesarias”, afirma Moore.
Moore espera que CaBLAM pueda utilizarse eventualmente para estudiar áreas del cuerpo más allá del cerebro.
“Este avance abre un nuevo abanico de opciones para ver cómo funcionan el cerebro y el cuerpo”, dice Moore, “incluyendo el seguimiento de la actividad en múltiples partes del cuerpo a la vez.”
Al menos 34 investigadores contribuyeron al proyecto, provenientes de socios del Bioluminescence Hub, incluyendo Brown, Central Michigan University, UC San Diego, la Universidad de California Los Ángeles y la Universidad de Nueva York.
La financiación para la investigación provino de los National Institutes of Health, la National Science Foundation y la Paul G. Allen Family Foundation.
Fuente: Brown University
