Científicos han desarrollado una proteína capaz de registrar los mensajes químicos que reciben las células cerebrales, en lugar de centrarse únicamente en las señales que emiten. Estas señales entrantes se crean cuando las neuronas liberan glutamato, un neurotransmisor que desempeña un papel vital en la comunicación cerebral. Aunque el glutamato es esencial para procesos como el aprendizaje y la memoria, su actividad ha sido extremadamente difícil de medir debido a que las señales son débiles y ocurren muy rápidamente.
Esta nueva herramienta permite detectar esos sutiles mensajes químicos a medida que llegan, brindando a los investigadores acceso a una parte de la comunicación cerebral que ha permanecido oculta durante mucho tiempo.
¿Por qué es importante este descubrimiento?
La capacidad de observar las señales entrantes permite a los científicos estudiar cómo las neuronas procesan la información. Cada célula cerebral recibe miles de entradas, y la forma en que combina esas señales determina si produce una salida. Se cree que este proceso subyace a las decisiones, los pensamientos y los recuerdos, y estudiarlo directamente podría ayudar a explicar cómo el cerebro realiza cálculos complejos.
Este avance también abre nuevas vías para la investigación de enfermedades. Los problemas con la señalización del glutamato se han relacionado con afecciones como la enfermedad de Alzheimer, la esquizofrenia, el autismo, la epilepsia y otras. Al medir estas señales con mayor precisión, los investigadores podrían identificar las raíces biológicas de estos trastornos.
El desarrollo de fármacos también podría beneficiarse. Las compañías farmacéuticas pueden utilizar estos sensores para observar cómo los tratamientos experimentales afectan la actividad sináptica real, lo que podría acelerar la búsqueda de terapias más eficaces.
Presentando un potente sensor de glutamato
La proteína fue diseñada por investigadores del Allen Institute y del Janelia Research Campus de HHMI. Conocida como iGluSnFR4 (pronunciado ‘glue sniffer’), actúa como un «indicador molecular de glutamato». Su sensibilidad le permite detectar incluso las señales entrantes más débiles intercambiadas entre las neuronas.
Al revelar cuándo y dónde se libera el glutamato, iGluSnFR4 proporciona una nueva forma de interpretar los complejos patrones de actividad cerebral que sustentan el aprendizaje, la memoria y la emoción. Ofrece a los científicos la capacidad de observar las neuronas comunicarse dentro del cerebro en tiempo real. Los hallazgos fueron publicados recientemente en Nature Methods y podrían cambiar significativamente la forma en que se mide y analiza la actividad neuronal en la investigación neurocientífica.
Cómo se comunican las células cerebrales
Para comprender el impacto de este avance, es útil comprender cómo interactúan las neuronas. El cerebro contiene miles de millones de neuronas que se comunican enviando señales eléctricas a lo largo de estructuras similares a ramas llamadas axones. Cuando una señal eléctrica llega al final de un axón, no puede cruzar el pequeño espacio hasta la siguiente neurona, conocido como sinapsis.
En cambio, la señal desencadena la liberación de neurotransmisores en la sinapsis. El glutamato es el mensajero químico más común y desempeña un papel clave en la memoria, el aprendizaje y la emoción. Cuando el glutamato llega a la siguiente neurona, puede hacer que esa célula se active, continuando la cadena de comunicación.
De fragmentos a la conversación completa
Este proceso puede compararse con una fila de dominós cayendo, pero es mucho más complejo. Cada neurona recibe información de miles de otras, y solo ciertas combinaciones y patrones de actividad desencadenarán la activación de la neurona receptora. Con este nuevo sensor de proteínas, los científicos ahora pueden identificar qué patrones de actividad entrante conducen a esa respuesta.
Hasta ahora, observar estas señales entrantes en tejido cerebral vivo era casi imposible. Las tecnologías anteriores eran demasiado lentas o carecían de la sensibilidad necesaria para medir la actividad a nivel de las sinapsis individuales. Como resultado, los investigadores solo podían ver partes del proceso de comunicación en lugar del intercambio completo. Este nuevo enfoque les permite capturar toda la conversación.
Dando sentido a las conexiones neuronales
«Es como leer un libro con todas las palabras desordenadas y no entender el orden de las palabras o cómo están dispuestas», dijo Kaspar Podgorski, Ph.D., autor principal del estudio y científico senior del Allen Institute. «Siento que lo que estamos haciendo aquí es agregar las conexiones entre esas neuronas y, al hacerlo, ahora entendemos el orden de las palabras en las páginas y lo que significan».
Antes de que estuvieran disponibles sensores de proteínas como iGluSnFR4, los investigadores solo podían medir las señales salientes de las neuronas. Esto dejaba una importante laguna en la comprensión, ya que las señales entrantes eran demasiado rápidas y demasiado débiles para detectarlas.
«Los neurocientíficos tienen buenas formas de medir las conexiones estructurales entre las neuronas, y en experimentos separados, podemos medir lo que algunas de las neuronas del cerebro están diciendo, pero no hemos sido buenos combinando estos dos tipos de información. Es difícil medir lo que las neuronas le dicen a otras neuronas», dijo Podgorski. «Lo que hemos inventado aquí es una forma de medir la información que llega a las neuronas de diferentes fuentes, y eso ha sido una parte crítica que faltaba en la investigación neurocientífica».
Colaboración detrás del avance
«El éxito de iGluSnFR4 se debe a nuestra estrecha colaboración iniciada en el Janelia Research Campus de HHMI entre el equipo del GENIE Project y el laboratorio de Kaspar. Esa investigación se ha extendido al fenomenal trabajo de caracterización in vivo realizado por el grupo Neural Dynamics del Allen Institute», dijo Jeremy Hasseman, Ph.D., científico del Janelia Research Campus de HHMI. «Este fue un gran ejemplo de colaboración entre laboratorios e institutos para permitir nuevos descubrimientos en neurociencia».
Una nueva ventana a la función cerebral
Este descubrimiento supera una limitación importante en la neurociencia moderna al hacer posible observar directamente cómo las neuronas reciben información. Con iGluSnFR4 ahora disponible para los investigadores a través de Addgene, los científicos tienen una nueva y poderosa herramienta para explorar la función cerebral con mayor detalle. A medida que esta tecnología se extiende, podría ayudar a revelar respuestas a algunas de las preguntas más perdurables del cerebro.