'Sonogenetics' ofrece un control cerebral completo mediante ultrasonido y genética

En optogenética, las neuronas específicas se modifican para producir proteínas sensibles a la luz que activar la celda cuando son golpeados por la luz. El principal inconveniente es que es difícil llevar la luz profundamente al cerebro. El ultrasonido, por otro lado, puede llegar a todas partes, y si es lo suficientemente fuerte, activar directamente cualquier cosa. Si hubiera una forma de hacer que el ultrasonido sea selectivo para algunas neuronas, pero no para otras, alguien podría hacerse rico.

Ingrese a la ecogenética, la nueva técnica de neurociencia del año 2015. Para usarlo, simplemente aplica el mismo poco de ingeniería genética que usarías para introducir proteínas sensibles a la luz, pero en su lugar introduce proteínas sensibles a la vibración. Si puede hacer eso, puede suceder algo maravilloso: siempre que reduzca la potencia ultrasónica a un nivel seguro agradable, un nivel muy por debajo del umbral que normalmente haría saltar cualquier neurona, puede apuntar solo a las neuronas que introdujo. mecanorreceptores de fantasía.



Los primeros investigadores en captar completamente este poder prometeico en sus mentes y, de hecho, llevar a cabo la técnica en el laboratorio, provienen del instituto Salk de California y la UCSD. Escribiendo ayer en el diario Ciencias , sacaron la ecogenética para una prueba de manejo en el gusano. Para apreciar completamente lo que el gusano puede hacer ahora por nosotros, intente imaginar cómo sería estar por el nombre de pila con las 100 mil millones de neuronas en su sistema nervioso. Si le asignara a cada neurona la tarea de ser consciente de sí misma, es posible que pueda hacerlo. Desafortunadamente, probablemente no puedas concentrarte en mucho más.



La belleza de usar la lombriz intestinal c. Elegans, es que los investigadores que se ganan la vida estudiándolo en realidad tienen un nombre entrañable para cada una de sus 302 neuronas. Ese tipo de familiaridad nunca debe subestimarse. No solo eso, los investigadores saben exactamente (o al menos tienen una buena idea sobre) los tipos de comportamientos que cada una de esas neuronas controla o detecta. Por lo general, estos comportamientos pueden tomar la forma de combinaciones de cierto tipo de flexiones o giros en respuesta a una clase específica de estímulos. Para colmo, también tienen a su disposición una variedad de técnicas para transferir casi cualquier gen que deseen a prácticamente cualquier neurona, o subconjunto de neuronas, haciendo que expresen la proteína correspondiente como si fuera la suya propia.



Para los experimentos aquí, se requirieron varias manipulaciones genéticas astutas. Primero, para descubrir cómo los gusanos detectaban el ultrasonido, los investigadores eliminaron a algunos de los sospechosos habituales. Se sabe que estos gusanos expresan una cierta clase de canales iónicos mecanosensibles, a saber, TRP-4, en solo seis neuronas: cuatro neuronas sensoriales y en dos de las llamadas interneuronas que se ocupan exclusivamente de la dopamina. La dopamina no es realmente crítica aquí; solo lo mencionamos porque algunas personas se emocionan al respecto. Estos canales TRP-4, como muchos canales iónicos típicamente sensibles a los mecanismos, normalmente están incrustados en la membrana plasmática externa de la célula. Cuando se estiran, se abren y, en última instancia, pueden 'disparar' la celda.

Cuando los investigadores luego atacaron a los gusanos que carecían del TRP-4 con ultrasonido, la respuesta del gusano disminuyó significativamente. Esta respuesta todavía estaba allí en un nivel bajo, pero cayó lo suficiente como para hacerles creer que TRP-4 es un jugador importante. Para demostrarlo, expresaron la proteína en neuronas sensoriales clave que normalmente carecen de la proteína.



Para que nadie dude de que este tipo de manipulaciones son poco menos mágicas, los investigadores llevaron las cosas a un nivel superior. Ya pudieron determinar que los gusanos detectaron el ultrasonido porque esas neuronas mecanosensibles recién acuñadas terminaron generando el mismo tipo de comportamientos que normalmente hacen con otros estímulos. Para luego cuantificar estos efectos a nivel subcelular, los investigadores reforzaron estas mismas neuronas con proteínas especiales sensibles al calcio que emiten una fluorescencia visible (al menos cuando se ven en un alcance rápido y sensible) cuando se activan.

Hay un meneo en todo esto, que dejamos para el final. Eso es porque el error principal en todo lo anterior también es su característica principal. Para acoplar eficientemente la energía ultrasónica en el cuerpo del gusano, y por pareja también nos referimos a cualquier amplificación o enfoque en el mismo, el gusano se incrustó en un mar de microburbujas de perfluorohexano. Estas burbujas, de unas pocas micras de diámetro, son accesorios ultrasónicos estándar que pueden hacer muchas cosas además de simplemente mejorar el contraste. Cuando los golpea con la frecuencia, potencia y presión negativa máxima (refracción) correctas, pueden flexionarse y resonar en sincronía. Se encontraron expansiones óptimas de burbujas con presiones máximas de alrededor de un MPa para pulsos de 10 ms a una frecuencia de 2,25 MHz.

Por encima de presiones de 2,5 MPa se encontró que la cavitación inercial y las ondas de choque subsiguientes comprometían la integridad de la membrana celular. Sin embargo, la presión máxima no es lo único que puede hacer caer una celda. Desde un punto de vista energético, los investigadores tuvieron cuidado de no exceder los límites de temperatura del tejido. Usando sensores de termopar, encontraron aumentos de temperatura de menos de 0,1 ° C, lo que sugieren que es poco probable que los gusanos sientan. Eso es bueno por varias razones: es bueno saber que las neuronas no se cocinarán hasta morir, y también es fundamental saber que los gusanos respondían a los efectos mecánicos en lugar de a los efectos térmicos.

Ahora, la característica que mencionamos es que si inviertes la geometría de las microburbujas, en otras palabras, colocas las microburbujas en el animal en lugar del animal en las microburbujas, obtienes una forma reversible de encender todo. Al inyectar las burbujas en el torrente sanguíneo, tal vez incluso en el torrente sanguíneo humano, obtienes una ventana de alrededor de 60 minutos para jugar. Los investigadores probablemente no estén en posición de hacer afirmaciones sobre lo que les sucede a todas las microburbujas. Sin embargo, si se presume que están confinados a lechos capilares, se podría estimar su rango de activación de neuronas.

De hecho, los autores dicen que dado que las neuronas que se encuentran aproximadamente a 25 μm por debajo de la cutícula se activaron a través de otros 0,5 μm de piel de gusano, la deformación mecánica debería tener una penetración amplia. Con distancias promedio de solo 20 μm para la mayoría de nuestras propias neuronas desde un capilar, podríamos ser optimistas de que la técnica podría extenderse a criaturas superiores como nosotros.

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