Bioluminiscencia para registrar la actividad neuronal en tiempo real

Hace una década, un grupo de científicos tuvo la idea literalmente brillante de utilizar luz bioluminiscente para visualizar la actividad cerebral. “Empezamos a pensar: '¿Y si pudiéramos iluminar el cerebro desde dentro?'”, comentó Christopher Moore, profesor de neurociencia en la Universidad de Brown. “Iluminar el cerebro se utiliza para medir la actividad —generalmente mediante un proceso llamado fluorescencia— o para estimular la actividad celular y comprobar su función. Sin embargo, disparar láseres al cerebro tiene sus inconvenientes en los experimentos, ya que a menudo requiere equipos sofisticados y una menor tasa de éxito. Pensamos que podríamos usar la bioluminiscencia en su lugar”.

Con una importante subvención de la Fundación Nacional de Ciencias, el Centro de Bioluminiscencia del Instituto Carney para la Ciencia del Cerebro de Brown  se lanzó en 2017,  basado en colaboraciones entre Moore (director asociado del Instituto Carney), Diane Lipscombe (directora del instituto), Ute Hochgeschwender (en la Universidad Central de Michigan) y Nathan Shaner (en la Universidad de California en San Diego).

El objetivo de los científicos era desarrollar y difundir herramientas de neurociencia basadas en otorgar a las células del sistema nervioso la capacidad de producir luz y responder a ella.

En un  estudio  publicado en Nature Methods, el equipo describió una herramienta de bioluminiscencia desarrollada recientemente. Denominada Monitor de Actividad de Bioluminiscencia de Ca₂₄ ⁽  o "CaBLAM"), esta herramienta captura la actividad unicelular y subcelular a alta velocidad y funciona bien en ratones y peces cebra, lo que permite realizar grabaciones de varias horas sin necesidad de luz externa.

More comentó que Shaner, profesor asociado de neurociencia y farmacología en la Universidad de California en San Diego, dirigió el desarrollo del dispositivo molecular que se convirtió en CaBLAM: «CaBLAM es una molécula realmente asombrosa que Nathan creó», dijo Moore. «Hace honor a su nombre». Medir la actividad continua de las células cerebrales vivas es esencial para comprender las funciones de los organismos biológicos, afirmó Moore. El método actual más común utiliza imágenes con indicadores de iones de calcio codificados genéticamente basados ​​en fluorescencia.

“En el funcionamiento de la fluorescencia, se proyectan rayos de luz sobre algo y se recibe una longitud de onda diferente”, explicó Moore, quien dirige el Centro de Bioluminiscencia. “Se puede hacer que este proceso sea sensible al calcio para obtener proteínas que devuelvan una cantidad o un color de luz diferente, dependiendo de la presencia o ausencia de calcio, con una señal brillante”. Si bien las sondas fluorescentes son útiles en muchos contextos, afirmó, existen limitaciones significativas para su uso en la monitorización de la actividad cerebral. En primer lugar, bombardear el cerebro con altas cantidades de luz externa durante un tiempo prolongado puede dañar las células. En segundo lugar, la iluminación de alta intensidad puede provocar que la molécula implicada en la fluorescencia modifique su estructura, de modo que ya no pueda emitir la luz adecuada; esto se denomina fotoblanqueo y limita el tiempo de uso de la fluorescencia. Por último, la proyección de luz en el cerebro implica el uso de dispositivos, como láseres y fibras, que requieren un enfoque más invasivo.

En cambio, la producción de luz bioluminiscente, donde la luz se produce cuando una enzima descompone una molécula pequeña específica, ofrece varias ventajas. Dado que las sondas de bioluminiscencia no requieren luz externa intensa, no existe riesgo de fotoblanqueo y tampoco tienen efecto fototóxico, por lo que son más seguras para la salud cerebral.

El tejido cerebral ya brilla tenuemente por sí solo al ser expuesto a la luz externa, lo que crea ruido de fondo —dijo 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, borrosas y difíciles de ver en las profundidades del cerebro. El cerebro no produce bioluminiscencia de forma natural, por lo que cuando las neuronas modificadas brillan por sí solas, resaltan sobre un fondo oscuro casi sin interferencias. Y con la bioluminiscencia, las células cerebrales actúan como sus propios faros: basta con observar la luz que sale, 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, dijo Moore, pero nadie había descubierto cómo hacer que la luz bioluminiscente fuera lo suficientemente brillante como para permitir imágenes detalladas de la actividad de las células cerebrales, hasta ahora.

“El presente trabajo es emocionante por muchas razones”, afirmó Moore. “Estas nuevas moléculas han proporcionado, por primera vez, la capacidad de ver células individuales activadas de forma independiente, casi como si se usara una cámara de cine muy especial y sensible para grabar la actividad cerebral en tiempo real”. La nueva herramienta puede capturar el comportamiento de una sola neurona en un animal de laboratorio vivo, incluso la actividad dentro de los subcompartimentos celulares. En el estudio, el equipo mostró datos de una sesión de grabación de cinco horas continuas, lo que habría sido imposible con el método de fluorescencia de tiempo limitado. “Este avance permite una gama completamente nueva de opciones para ver cómo funcionan el cerebro y el cuerpo”, dijo Moore, “incluido el seguimiento de la actividad en múltiples partes del cuerpo a la vez”.

Tomado de: EurekAlert

 Fuente: Nature