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La toma de decisiones implica una poco conocida región cerebral en el tálamo

Cuando nos enfrentamos a un cambio en nuestro entorno, tenemos que tomar decisiones adecuadas, que por lo general implican la corteza orbitofrontal. Sin embargo, inesperadamente, los científicos han descubierto que una región del cerebro que se encuentra en el tálamo también juega un papel crucial en el uso de estas habilidades evolucionadas

Todos los organismos vivos tienen que tomar las decisiones adecuadas para satisfacer sus propias necesidades. En particular, la capacidad de tomar en cuenta los cambios ambientales bruscos representa un reto importante para la supervivencia de una especie. Dicha toma de decisiones se considera como una función cognitiva evolucionada. La que se conocía como la que se ocupaba de llevar a cabo los procesos de toma de decisiones es la corteza orbitofrontal, una de las estructuras cerebrales más desarrollados.


Para visualizar los caminos de los nervios, dos marcadores se aplicaron (rojo y verde) a dos regiones de la corteza orbitofrontal. Estos compuestos entonces emigraron, se acumulándose en las neuronas del tálamo. El denso etiquetado con los dos trazadores es visible en el núcleo talámico submedius (delimitado por una línea de puntos). Crédito: Imágenes generadas en el Imaging Centre Burdeos y obtenidas por Fabien Alcaraz

El equipo de «Décision et Adaptation» (Decisión y Adaptación) del INCIA (Institut de Neurosciences Cognitives et Intégratives d’Aquitaine, INCIA, CNRS/Université de Bordeaux) se centró al principio en las regiones del cerebro vinculadas a la corteza orbitofrontal. Usando una técnica de etiquetado, los científicos evidenciaron un área específica, el núcleo submedius talámico, que está estrechamente vinculada a la corteza orbitofrontal y cuyo papel funcional es desconocido.

Posteriormente, el equipo probó el papel de estas dos estructuras del cerebro (el núcleo talámico submedius y corteza orbitofrontal) en la toma de decisiones y la conducta adaptativa. Para ello, estudiaron tres grupos de ratas: las primeras presentaban lesiones en la corteza orbitofrontal, el segundo grupo tenía lesiones en el núcleo submedius y el tercero estaba compuesto por animales de control libres de lesiones. El objetivo era poner a prueba su capacidad para establecer un vínculo entre una señal auditiva y la obtención de un premio de comida.

El experimento se organizó en dos fases. La fase inicial de aprendizaje permitió que los animales aprendieran que dos sonidos diferentes (S1 y S2) marcaba cada uno un premio de comida específica. Los tres grupos de animales, por lo tanto, visitaron el dispensador de comida tan pronto como percibían un estímulo auditivo. Las lesiones no impidieron que los animales se enteraran de que el estímulo auditivo predecía una recompensa. Durante la segunda fase, el procedimiento se mantuvo sin cambios en la primera señal, pero para la señal S2, los científicos distribuyeron recompensas de alimento durante y sobre todo fuera de los períodos de la prueba de referencia. Así, este sonido perdió su valor predictivo y los animales sin lesiones empezaron a no tener en cuenta el estímulo auditivo S2, solamente visitaron el dispensador cuando oyeron el S1. Por otro lado, los animales con una lesión —ya sea de la corteza orbitofrontal o la submedius núcleo talámico— demostraron ser incapaces de hacer esta distinción, y por lo tanto de adaptarse.

 

 

Por lo tanto, este estudio identificó la existencia de un circuito entre el tálamo y la corteza que resultó crucial para la toma de decisiones de adaptación. La originalidad de este descubrimiento radica en el papel clave que los científicos atribuyen al núcleo talámico submedius, una estructura hasta ahora poco conocida en el campo de la conducta adaptativa. Estos hallazgos sugieren que numerosos circuitos funcionales que subyacen a este tipo de comportamiento pueden implicar una contribución del tálamo. El equipo ahora planea explorar estos circuitos «talamocorticales», cuyo conocimiento podría arrojar luz sobre numerosas enfermedades, como la esquizofrenia o la adicción.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Activan las células del cerebro de gusanos con ultrasonido

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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Filman el funcionamiento de cerebros de larvas de mosca

Los científicos filman la actividad neural a través de todo el cerebro y el sistema nervioso central de las larvas de la mosca de la fruta

Este es el chisporroteo de la actividad neuronal que permite gatear hacia atrás a la larva de una mosca de la fruta (Drosophila melanogaster): un destello en el cerebro y una oleada que ondula a través del sistema nervioso de la parte superior hasta el fondo del pequeño cuerpo de la larva. Cuando la larva se mueve hacia adelante, la oleada fluye en otro sentido.

El video —capturado casi con la resolución de neuronas individuales— demuestra el último desarrollo de una técnica para filmar la actividad neuronal en un organismo completo. El método original fue inventado por Philipp Keller y Misha Ahrens en el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes en Ashburn, Virginia. Los investigadores modifican genéticamente las neuronas de modo que cada célula emite fluorescencia cuando se dispara; luego utilizan una innovadora microscopía que involucra disparar luz en capas dentro del cerebro para registrar la actividad.

En 2013, los investigadores produjeron un video de la actividad neuronal a través del cerebro de una larva de pez cebra (transparente) 1. El mapeo de la larva mosca de la fruta que se realizó en el último video, publicado en Nature Communications el 11 de agosto 2, es más complicado. El vídeo muestra la actividad neural no sólo en el cerebro, sino en todo el sistema nervioso central (SNC), incluyendo el equivalente en la mosca de la fruta de una médula espinal de mamífero. Y a diferencia del pez cebra, el sistema nervioso de la mosca de la fruta no es completamente transparente, lo que hace que sea más difícil de filmar.

Para examinarlo, los investigadores quitaron el sistema nervioso central del cuerpo de la larva. Por un máximo de una hora después de retirado, el SNC continúa disparando en forma espontánea los patrones coordinados de actividad que dirigen normalmente el arrastrarse (y otros comportamientos). Para ver la onda fluorescente de las neuronas disparándose, los investigadores modificaron su microscopio para ver la muestra de dos lados al mismo tiempo; esto les permitió reconstruir la mayor parte de la actividad neuronal mediante la combinación de las señales más débiles.

 

 

Con el fin de producir la película, dice Keller, los investigadores tuvieron que aumentar su ritmo de toma de imágenes 25 veces la de de su trabajo anterior, y utilizaron mejoras en la informática de procesamiento y análisis de los terabytes de información de cada experimento. En un próximo paso, los investigadores están trabajando en la formación de imágenes en embriones de ratón.

Nature doi: 10.1038/nature.2015.18164

 
1. Ahrens, M. et al. Nature Meth. 10, 413–420 (2013).

 
2. Lemon, W. C. et al. Nature Commun. http://dx.doi.org/10.1038/ncomms8924 (2015).

Fuente: Nature. Aportado por Eduardo J. Carletti

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