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Un proyecto de cooperación internacional, liderado por el investigador del Instituto Max Planck Mazahir Hasan, ha conseguido que células nerviosas de ratón sean ópticamente visibles. Con el nuevo hallazgo se puede observar la comunicación entre grupos enteros de neuronas durante un período prolongado de tiempo. Ya en 2004 este investigador demostró por primera vez que las proteínas fluorescentes pueden hacer visible la actividad cerebral en el ratón.
Para este nuevo desarrollo, Hasan utilizó una proteína sensora denominada D3cpv en forma de un complejo de numerosas subunidades proteicas interconectadas. Dos de estas subunidades reaccionan a la unión de los iones de calcio con el complejo. Así, la proteína fluorescente amarilla (YFP en sus siglas en inglés) se enciende y el poder iluminador de la proteína fluorescente azul cian (CFP) disminuye.
Los científicos del Instituto Max Planck introdujeron el material genético correspondiente en el interior del material genético de los virus. De este modo, Hasan y su equipo utilizaron estos virus a modo de “ferry” genético para introducir el material genético en el interior del cerebro de los ratones.
El complejo proteico se producía en las neuronas de los ratones “infectados” funcionando allí como un indicador de calcio (si la concentración de calcio aumenta en el interior de una célula -que es lo que sucede con cada potencial de acción- la proteína D3cpv cambia de forma cuando se une al calcio). Como resultado de ello, las dos proteínas fluorescentes, CFP y YFP, se acercan la una a la otra y cambia la transmisión de energía entre ambas.
"Para observar este cambio de energía hemos utilizado un microscopio de dos fotones", explica Hasan. Cada potencial de acción individual que se genera debido a un estímulo se vuelve directamente perceptible en el cerebro a través del aumento de la luz amarilla y la reducción simultánea en la emisión de luz azul. El microscopio de dos fotones localiza la coincidencia entre las dos señales fluorescentes de forma muy precisa y revela claramente qué células nerviosas se están comunicando e intercambiando información y el momento en que lo hacen.
Los registros eléctricos de la actividad neuronal después de la provocación de estímulos revelaron que los cambios de color coinciden realmente con la descarga de los potenciales de acción. No obstante, los métodos de Hasan solamente se pueden aplicar si las neuronas estimulan los potenciales de acción con una frecuencia inferior a un hertzio.
Entender los complicados procesos de los pensamientos
De este modo, los investigadores han sido capaces por primera vez de demostrar que los indicadores genéticos del calcio ofrecen una prueba óptica de las percepciones del sistema sensorial en los organismos superiores. “Gracias a este método podemos entender con mucho más detalle como el cerebro humano regula procesos complejos de pensamiento y, por ejemplo, como transforma las numerosas impresiones sensoriales en memoria a largo plazo”, afirma Hasan.
Asimismo, se pueden entender mejor los acontecimientos derivados del envejecimiento de las células nerviosas “ya que actualmente disponemos de un método para observar las neuronas durante periodos de tiempo más prolongados”, concluye el investigador. Además, las proteínas sensoras podrían ser muy útiles para ayudar a los investigadores a alcanzar una mayor comprensión de las enfermedades neurológicas a nivel celular incluyendo las enfermedades de Alzheimer, Parkinson y Huntington.
Intercambio de información valiosa
Una célula nerviosa es una conexión principal de intercambio de información valiosa. La nariz, los ojos, los oídos y otros órganos sensoriales perciben nuestro entorno a través de diversas antenas denominadas receptores, transmitiendo acto seguido los numerosos estímulos a las neuronas.
Toda esta información es recogida, procesada, y finalmente transferida a centros específicos del cerebro en estas conexiones. El cerebro humano contiene casi 100 mil millones de células nerviosas. La célula nerviosa utiliza un medio especial de transporte para este propósito: el potencial de acción que codifica la información, permitiendo así la comunicación entre las células nerviosas.
Un potencial de acción de este tipo es una estimulación eléctrica que aparece cuando nuestras células nerviosas reciben la información a través de un estímulo. Poco tiempo antes, los iones de calcio penetran en la célula nerviosa, actuando como pistoletazo de salida para el flujo de datos de una neurona a la siguiente.
En el pasado, el potencial de acción se medía y se hacía visible mediante el empleo de microelectrodos, pero este método solamente permitía la monitorización de un número limitado de las células involucradas en el proceso de la comunicación y los científicos eran incapaces de registrar la comunicación neuronal de una manera claramente identificable durante un período de tiempo más prolongado o en animales que se movían libremente.
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Referencias bibliográficas:
Damian J Wallace, Stephan Meyer zum Alten Borgloh, Simone Astori, Ying Yang, Melanie Bausen, Sebastian Kügler, Amy E Palmer, Roger Y Tsien, Rolf Sprengel, Jason N D Kerr, Winfried Denk & Mazahir T Hasan. “Single-spike detection in vitro and in vivo with a genetic Ca2+ sensor” Nature Methods, Vol.5 No. 9, September 2008, 797
Mazahir T Hasan, Rainer W Friedrich, Thomas Euler, Matthew E Larkum, Günter Giese, Matthias Both, Jens Duebel, Jack Waters, Hermann Bujard, Oliver Griesbeck, Roger Y Tsien, Takeharu Nagai, Atsushi Miyawaki, Winfried Denk. “Functional fluorescent Ca2+ indicator proteins in transgenic mice under TET control” PLOS Biology, Vol.2 No.6, June 2004, e163
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