Neuroscience

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?'», explicó Christopher Moore, profesor de neurociencia en la Universidad de Brown. «Iluminar el cerebro se utiliza para medir la actividad – usualmente a través de un proceso llamado fluorescencia – o para estimular la actividad en las células para probar su función. Pero el uso de láseres en el cerebro tiene desventajas en los experimentos, a menudo requiriendo hardware sofisticado y una menor tasa de éxito. Pensamos que podríamos usar 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, basado en colaboraciones 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 dar a las células del sistema nervioso la capacidad de producir y responder a la luz.

En un estudio publicado en Nature Methods, el equipo describió una herramienta de bioluminiscencia que desarrolló recientemente. Llamada Ca²⁺ BioLuminescence Activity Monitor – o «CaBLAM», en resumen – la herramienta captura la actividad a nivel de célula única y subcelular a alta velocidad y funciona bien en ratones y peces cebra, permitiendo grabaciones de varias horas y eliminando la necesidad de luz externa.

Moore señaló que Shaner, profesor asociado de neurociencia y farmacología en la U.C. San Diego, lideró el desarrollo del dispositivo molecular que se convirtió en CaBLAM: «CaBLAM es una molécula realmente asombrosa que Nathan creó», dijo 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 imágenes con indicadores de calcio codificados genéticamente basados en la fluorescencia.

«En la forma en que funciona la fluorescencia, se iluminan haces de luz sobre algo, y se obtiene una longitud de onda diferente de haces de luz a cambio», explicó Moore, quien lidera el Bioluminescence Hub. «Se puede hacer que este proceso sea sensible al calcio para obtener proteínas que reflejen una cantidad diferente o un color diferente de luz, dependiendo de si el calcio está presente o no, con una señal brillante.»

Si bien las sondas fluorescentes son útiles en muchos contextos, dijo, existen limitaciones significativas para usarlas en el monitoreo de la actividad cerebral. Primero, bombardear el cerebro con grandes cantidades de luz externa durante un período prolongado puede dañar las células. Segundo, la iluminación de alta intensidad puede hacer que la molécula involucrada en la fluorescencia cambie su estructura para que ya no pueda emitir suficiente luz; esto se llama fotoblanqueo y limita el tiempo que se puede usar la fluorescencia. Finalmente, iluminar el cerebro implica hardware, 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 involucran luz externa brillante, no existe riesgo de fotoblanqueo y tampoco tienen un efecto fototóxico, por lo que son más seguras para la salud cerebral.

La luz también facilita la visualización.

«El tejido cerebral ya brilla débilmente por sí solo cuando es golpeado por la luz externa, creando ruido de fondo», dijo Shaner. «Además, el tejido cerebral dispersa la luz, borrando tanto la luz que entra como la señal que regresa. Esto hace que las imágenes sean más tenues, más borrosas y más difíciles de ver en lo profundo 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 cual 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, dijo Moore, pero nadie había logrado hacer que la luz bioluminiscente fuera lo suficientemente brillante como para permitir imágenes detalladas de la actividad de las células cerebrales, hasta ahora.

Los conocimientos que encendieron CaBLAM

«El artículo actual es emocionante por muchas razones», dijo Moore. «Estas nuevas moléculas han proporcionado, por primera vez, la capacidad de ver células individuales activadas de forma independiente, casi como si estuvieras usando una cámara de cine muy especial y sensible para grabar la actividad cerebral mientras está sucediendo.»

La nueva herramienta puede capturar el comportamiento de una sola neurona en un animal de laboratorio vivo, incluso hasta la actividad dentro de 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 hardware involucrado», dijo 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 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, dijo Moore.

«Nos aseguramos de que, como centro que intenta impulsar el campo, creáramos las piezas componentes necesarias», dijo Moore.

Moore espera que CaBLAM pueda eventualmente usarse para estudiar áreas del cuerpo más allá del cerebro.

«Este avance permite una gama completamente nueva de opciones para ver cómo funcionan el cerebro y el cuerpo», dijo Moore, «incluyendo el seguimiento de la actividad en múltiples partes del cuerpo a la vez.»

Añadió que la herramienta es un testimonio del poder de la ciencia en equipo. Al menos 34 investigadores contribuyeron al proyecto de los socios del Bioluminescence Hub, incluyendo Brown, Central Michigan University, U.C. San Diego, la Universidad de California en 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.