La técnica, llamada Sonogenética, podría utilizarse para estimular neuronas específicas en forma no invasiva en otros animales
Los neurocientíficos han utilizado ultrasonidos para estimular células cerebrales individuales en un gusano, y es de esperar que la técnica —que ellos llaman ‘sonogenética’— podría ser adaptada para activar las neuronas de los ratones y de los animales más grandes.
La técnica se basa en las proteínas «canal» sensibles al tacto, que se pueden añadir a determinadas células del cerebro por medio de ingeniería genética. Los canales se abren cuando los impacta un pulso ultrasónico, que permite que los iones inunden una neurona y así hacer que se active.
El ultrasonido podría ser una manera menos invasiva para que los investigadores estimulen determinados tipos de células o neuronas individuales, en lugar de usar electrodos implantados o cables de fibra óptica, dice el neurobiólogo Sreekanth Chalasani, en el Instituto Salk para Estudios Biológicos en La Jolla, California, quien dirigió el estudio, en un informe en Nature Communications.
«Nuestra esperanza es crear una caja de herramientas de distintos canales que podrían, cada uno, responder a diferentes intensidades de ultrasonido», dice.
«Es una nueva idea genial, y ellos demuestran que esto en realidad podría ser factible», dice Jon Pierce-Shimomura, un neurocientífico que estudia el nematodo Caenorhabditis elegans en la Universidad de Texas en Austin. «Esto podría abrir una nueva manera de manipular el sistema nervioso de forma no invasiva a través de herramientas genéticamente codificables.»
Iluminar una célula
La investigación sigue los pasos de la optogenética, una popularizada técnica con una antigüedad una década, en la que las neuronas están diseñadas genéticamente para que puedan ser activados por la luz. La optogenética se basa en la inserción en las neuronas de proteínas con canales sensibles a la luz. Cuando les llega luz del color correcto, que a menudo se envía al cerebro a través de un cable de fibra óptica, los canales se abren, permitiendo que fluyan los iones.
La sonogenética no reemplazará la optogenética, dice William Tyler, un neuroingeniero que se especializa en la estimulación cerebral por ultrasonidos en la Universidad Estatal de Arizona en Tempe. «Sin embargo, con este trabajo, hay una herramienta más en el conjunto», dice.
Hace tiempo que se utilizan ultrasonidos para aplicaciones médicas. Estas ondas de baja intensidad ayudan a los médicos a monitorear fetos o el funcionamiento del corazón. Y se pueden utilizar pulsos ultrasónicos de alta intensidad para calentar y destruir ciertos tejidos enfermos. En los últimos años, dice Tyler, los investigadores han tomado un interés creciente en el uso de la ecografía como una forma no invasiva para estimular el cerebro y los nervios, tanto en animales como en humanos. Él y su equipo publicó uno de los primeros informes sobre la estimulación cerebral por ultrasonidos en los seres humanos en 2014.
Pero mientras que el trabajo anterior estimula regiones particulares del cerebro, la sonogenética muestra que es posible dirigirse a un tipo específico de célula, o a una neurona individual, dice Chalasani. Su equipo encontró que el canal iónico PRT-4 desempeña un papel clave para ayudar a que el gusano sienta las vibraciones, y podría ser manipulado para lograr efectos dramáticos.
Debido a que el ultrasonido no viaja bien a través del aire, los investigadores primero pusieron gusanos en una placa de petri, parcialmente sumergidos en un baño de agua. Enviaron una corta ráfaga de ultrasonido a la placa, y se amplificaron las ondas de baja presión agregando burbujas microscópicas de lípidos en la superficie de la placa de Petri, que resonó con las vibraciones.
Agregando la proteína TRP-4 en neuronas con funciones diferentes, los investigadores pudieron hacer que los gusanos se arrastraran libremente en sentido contrario, dejar de avanzar así, o hacer giros cerrados más frecuentes en respuesta a un breve pulso de ultrasonidos de baja presión.
Grandes ambiciones
En última instancia, Chalasani espera que la técnica se puede utilizar en otros animales. El equipo se está preparando para poner a prueba su sistema en ratones, aunque éstos no producen naturalmente el canal TRP-4, por lo que no está claro cómo se comportaría la proteína, o si podrían funcionar mejor otros canales iónicos.
En el gusano, el equipo de Chalasani vio indicios de que al menos otro canal iónico está sintonizado con ondas de ultrasonido de una presión ligeramente superior a la utilizada en la mayor parte del estudio. Esto abre la posibilidad de que los diferentes canales de iones podrían ser seleccionados, o incluso diseñados, para aplicaciones personalizadas, dice.
Aun si la sonogenética llega a ser ampliamente utilizada en la investigación básica, la traducción en los seres humanos todavía puede estar limitada por los desafíos de la manipulación genética de la expresión de canales iónicos en las personas, señala Chalasani. «Esa es una gran pregunta para ambos, la optogenética y la sonogenética: ‘¿Cómo se pone este canal en forma segura en la célula o células del tipo que nos interesa?’ »
Pero Tyler se pregunta si podría que no fuese necesario utilizar manipulaciones genéticas invasivas para utilizar los principios de la sonogenética en los seres humanos. Podría ser que los diferentes tipos de neuronas —debido a sus diferentes proteínas de canal y estructura física— sean intrínsecamente sensibles y, por lo tanto, controlables por diferentes secuencias de pulsos de ultrasonido, independientemente de si pueden ser diseñadas genéticamente.
«Esa es una posibilidad realmente fascinante, y este trabajo abre eso», dice.
Carácter doi: 10.1038/nature.2015.18368
Fuente: Nature News. Aportado por Eduardo J. Carletti
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