La proteína modificada revela el lenguaje oculto de nuestro cerebro

Estudiar la actividad de las células cerebrales nunca ha sido sencillo. El sistema nervioso central es increíblemente complejo, y desentrañar la densa malla de señalización bioeléctrica que opera en su interior es como intentar armar un puzle de 85 mil millones de piezas. Uno de los mayores desafíos en esta ardua tarea ha sido que, hasta ahora, los investigadores solo han sido capaces de medir las señales que producen las neuronas individuales (el output), pero no aquellas que reciben (el input).

Durante décadas, la neurociencia se ha enfrentado a este "punto ciego". Sabemos cómo una neurona transmite su mensaje, pero hemos tenido dificultades para determinar con precisión qué mensajes de las miles de células circundantes provocaron ese disparo. Sin comprender el flujo completo de la información, el cerebro sigue siendo una caja negra.

Ahora, una proteína con un nombre sumamente inusual ha abierto una ventana para que los neurocientíficos puedan observar las señales que entran en las células cerebrales, prometiendo revolucionar nuestra comprensión de la computación cerebral. Esta herramienta permite, por primera vez, escuchar la mitad oculta de la conversación eléctrica de nuestro cerebro: la parte que inicia la acción.

Creación de la Proteína iGluSnFR4

La proteína, que ha sido modificada meticulosamente, fue desarrollada por un equipo conjunto del Allen Institute y el Janelia Research Campus en el Howard Hughes Medical Institute. Su propósito es registrar las complejas señales químicas que las neuronas eléctricamente activas utilizan para comunicarse entre sí.

El más común de esos mensajeros químicos es el glutamato. Este neurotransmisor es fundamental para procesos cerebrales esenciales como el pensamiento, el aprendizaje y la memoria. Debido a que esta proteína detecta el nivel de glutamato liberado por las neuronas, ha sido bautizada como iGluSnFR4 (un acrónimo que se traduce aproximadamente como "indicador del olfateador de glutamato", o ‘glue sniffer’, en inglés).

Un reciente artículo publicado en Nature Methods presenta la última generación de esta proteína ‘olfateadora de glutamato’. Esta versión más avanzada supera importantes barreras que lastraban a las versiones anteriores, ofreciendo una sensibilidad y una velocidad inigualables para capturar eventos sinápticos transitorios.

La Ingeniería detrás del ‘Olfateador de Glutamato’

La creación de iGluSnFR4 representa un triunfo de la ingeniería molecular y de la optogenética. No se trata simplemente de una proteína que reacciona al glutamato; es un sensor codificado genéticamente, diseñado para volverse fluorescente cuando detecta el neurotransmisor.

Para conseguir esto, los científicos tomaron una proteína bacteriana y la modificaron genéticamente. Su estructura fue alterada para incluir un dominio sensible al glutamato. Cuando una molécula de glutamato se une a este dominio, provoca un cambio conformacional en la proteína. Este cambio físico, a su vez, aumenta la intensidad de su señal fluorescente. Al introducir el gen de esta proteína en neuronas de estudio (como las de ratones), los investigadores pueden observar en tiempo real y con gran precisión cuándo y dónde está entrando el glutamato a esas células.

El gran desafío en la ingeniería de biosensores fluorescentes como el iGluSnFR4 es el equilibrio. Necesitan ser lo suficientemente rápidos para capturar los eventos que duran solo unos pocos milisegundos, y al mismo tiempo, deben ser lo suficientemente brillantes para que la señal sea detectable por microscopía, superando el ruido de fondo. La cuarta generación de iGluSnFR ha logrado mejorar drásticamente esta relación señal-ruido y la cinética, permitiendo la detección de un solo potencial de acción neuronal, una hazaña que antes resultaba casi imposible sin métodos invasivos.

Desentrañando la Conversación Neuronal: El Dilema del Input

Para comprender por qué una herramienta como el ‘olfateador de glutamato’ ha sido tan buscada en la neurociencia, es crucial entender cómo funciona la señalización cerebral y, en particular, por qué medir la entrada de información es tan complejo.

El output (la señal que produce una única neurona) es relativamente simple de conceptualizar. Estas células disparan señales eléctricas que viajan por estructuras cableadas llamadas axones. Al llegar al área de difusión de la neurona, la sinapsis, estas señales se convierten en mensajeros químicos (neurotransmisores, como el glutamato) que pueden "saltar" la brecha entre las células.

Lo que desencadena esa señal eléctrica y química es, sin embargo, mucho más complejo. Cada neurona es una unidad de procesamiento que recibe continuamente aportes (inputs) de neurotransmisores procedentes de potencialmente miles de otras células cerebrales. La neurona interpreta la suma de estas señales de entrada (tanto excitatorias, como el glutamato, como inhibitorias) y determina, a través de una compleja computación, si debe o no disparar su propia señal eléctrica.

El problema ha sido que estos aportes químicos de entrada siempre han sido demasiado débiles y rápidos, y están distribuidos en demasiados puntos de la célula (en las dendritas), para ser medidos de manera fiable. Antes de las proteínas iGluSnFR, los neurocientíficos se veían obligados a depender en gran medida de técnicas invasivas como la electrofisiología de patch-clamp. Si bien esta técnica es excelente para medir el potencial eléctrico de una célula y su output, no ofrece una visión clara y distribuida de la miríada de señales sinápticas que llegan simultáneamente a la célula.

El Punto Ciego de la Neurociencia Clásica

Imagina que estás intentando entender una orquesta sinfónica, pero solo puedes escuchar el sonido que sale del instrumento del director. El director (la neurona) toca su nota solo si ha recibido un coro específico de señales (input) de cientos de otros músicos. Antes del ‘glue sniffer’, solo podíamos registrar la nota final del director, sin saber qué instrumentos (otras neuronas) contribuyeron y en qué momento. En esencia, estábamos sordos a la mitad de la conversación crucial que ocurre entre las células.

"Los neurocientíficos tienen formas bastante buenas de medir las conexiones estructurales entre las neuronas, y en experimentos separados, podemos medir lo que dicen algunas de las neuronas en el cerebro, pero no hemos sido buenos combinando estos dos tipos de información. Es difícil medir qué neuronas se están comunicando con qué otras neuronas", explicó Kaspar Podgorski, coautor del estudio y neurocientífico del Allen Institute.

Las proteínas ‘olfateadoras de glutamato’ cambian radicalmente este paradigma. Al visualizar el glutamato que entra, estamos observando directamente el impacto de la conversación en la célula receptora, uniendo el remitente con el mensaje.

Podgorski utilizó una analogía muy reveladora para describir el avance: "Es como leer un libro con todas las palabras revueltas y sin entender el orden de las palabras o cómo están organizadas. 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." Este avance nos permite pasar de medir meras pulsaciones eléctricas aisladas a trazar el flujo de la información significativa a través de los circuitos.

El Papel Central del Glutamato en la Excitación Neuronal

Para apreciar la magnitud de este avance, es fundamental destacar la importancia del glutamato. Si bien existen muchos neurotransmisores, el glutamato es el principal excitatorio en el sistema nervioso central de los mamíferos. Actúa como el "acelerador" del cerebro.

La detección específica del glutamato con iGluSnFR4 permite a los investigadores monitorizar la plasticidad sináptica en tiempo real. La plasticidad sináptica, que incluye la Potenciación a Largo Plazo (LTP) y la Depresión a Largo Plazo (LTD), son los mecanismos celulares fundamentales del aprendizaje y la memoria. Al poder ver exactamente cómo y cuándo se liberan las pequeñas ráfagas de glutamato en sinapsis específicas, se puede empezar a mapear cómo se forman y se fortalecen las vías neuronales cuando aprendemos una nueva habilidad o recordamos una experiencia.

Medir el glutamato es medir la capacidad de un circuito para excitarse, y el uso de un sensor fluorescente permite hacer esto no solo en células aisladas, sino también en organismos vivos. Esto abre la puerta a experimentos in vivo que estudian el procesamiento de información en cerebros que están realmente activos, por ejemplo, mientras un animal se está moviendo o reaccionando a un estímulo sensorial.

Escuchando las Conversaciones Ocultas del Cerebro

El nuevo estudio presenta no solo un sensor, sino un par: iGluSnFR4f y iGluSnFR4s. La variante 'f' (fast) está optimizada para medir señales rápidas e individuales, permitiendo a los neurocientíficos rastrear con precisión la llegada de potenciales de acción. La variante 's' (slow) está diseñada para capturar señales sostenidas y aquellas producidas por grandes grupos de células cerebrales, siendo más útil para medir la actividad neuronal basal y la integración de señales durante periodos más largos.

El equipo de investigación demostró la eficacia de estas proteínas midiendo la actividad cerebral en ratones. Los experimentos, realizados mediante microscopía avanzada, revelaron la actividad neuronal a través de la señal fluorescente que emitían las proteínas al detectar el glutamato entrante.

Esta capacidad de visualizar el input glutamatérgico está destinada a transformar la neurociencia de circuitos. Anteriormente, si un científico observaba que una neurona disparaba (output), tenía que realizar complejos experimentos de conectividad estructural y funcional posterior para inferir de dónde podría haber venido esa señal. Ahora, pueden ver la señal de entrada en el momento exacto en que ocurre. Es una diferencia fundamental entre hacer una conjetura educada y obtener evidencia directa.

Implicaciones Revolucionarias en la Neurociencia Clínica

Los autores del estudio tienen grandes esperanzas de que estas herramientas ayuden a los neurocientíficos a comprender las computaciones fundamentales que permiten el funcionamiento normal del cerebro. Pero quizás el impacto más significativo se sienta en la comprensión de las enfermedades neurológicas y psiquiátricas.

El glutamato, si bien es esencial, es una espada de doble filo. La desregulación de la señalización glutamatérgica está fuertemente implicada en una serie de afecciones graves. Al poder monitorizar el input de glutamato, los investigadores pueden estudiar lo que sucede en el cerebro cuando esta señalización se interrumpe, por ejemplo, en condiciones como la esquizofrenia o la epilepsia.

En la epilepsia, la interrupción del equilibrio entre las señales excitatorias (glutamato) e inhibitorias (GABA) conduce a una hiperexcitabilidad neuronal, manifestada en convulsiones. Poder observar qué sinapsis específicas están recibiendo un exceso de glutamato antes y durante un evento epiléptico ofrece objetivos terapéuticos mucho más precisos que los disponibles actualmente.

De manera similar, la esquizofrenia ha sido vinculada durante mucho tiempo a disfunciones en los circuitos de glutamato, a menudo relacionados con una conectividad alterada. El iGluSnFR4 permite a los científicos trazar estas conexiones defectuosas con una resolución sin precedentes. Podrían, por ejemplo, identificar qué tipo de neuronas en regiones cerebrales específicas (como la corteza prefrontal) reciben una señalización glutamatérgica anormal en modelos animales de estas enfermedades.

Este nivel de detalle en el mapeo de la actividad neuronal tiene el potencial de desvelar las bases biológicas de muchas otras condiciones que implican una conectividad sináptica deficiente, incluyendo el Trastorno del Espectro Autista y algunas formas de deterioro cognitivo asociadas al Alzheimer.

"Lo que hemos inventado aquí es una forma de medir la información que llega a las neuronas desde diferentes fuentes, y esa ha sido una parte crítica que faltaba en la investigación en neurociencia", concluyó Podgorski. El desarrollo de iGluSnFR4 no es solo un avance metodológico; es la llave para decodificar el lenguaje interno, oculto y esencial del cerebro, permitiéndonos finalmente escuchar la conversación completa.

Fuentes

https://www.nature.com/articles/s41592-023-01772-z
https://www.janelia.org/
https://www.nature.com/articles/s41593-020-00721-y
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6682709/
https://www.jneurosci.org/content/37/45/10777