Por Hermes Lavallén
El pez cebra está teniendo un gran impacto en la investigación médica. Comparte el 70 % de nuestro código genético, es transparente y puede reparar su propio corazón: no es de extrañar que últimamente el pez cebra se haya convertido en uno de los mejores aliados de los científicos.
Un equipo de investigadores de la Universidad del Sur de California ha respondido por primera vez a la pregunta sobre: ¿qué cambios físicos ocurren en el cerebro cuando se hace un recuerdo? Induciendo un recuerdo en una larva de pez cebra y luego mapeando los cambios en sus cabezas transparentes con células cerebrales iluminadas.
Después de seis años de investigación, hicieron el descubrimiento innovador de que el aprendizaje hace que las sinapsis, las conexiones entre las neuronas, proliferen en algunas áreas y desaparezcan en otras, en lugar de simplemente cambiar su fuerza, como se pensaba comúnmente. Estos cambios en las sinapsis pueden ayudar a explicar cómo se forman los recuerdos y por qué ciertos tipos de recuerdos son más fuertes que otros.
El estudio fue publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias y fue dirigido por Don Arnold, Scott E. Fraser y Carl Kesselman de la USC.
Foto: Scott Fraser , físico, neurobiólogo del desarrollo e ingeniero biomédico.
Nuevo método y herramientas
El estudio fue posible gracias a un nuevo tipo de etiquetado celular y un microscopio hecho a medida inventado en la USC. Los investigadores también desarrollaron una forma de vanguardia para rastrear y archivar los datos recopilados para que sus hallazgos sean lo más accesibles y reproducibles posible.
Antes de su trabajo, no era posible determinar la ubicación de una sinapsis en un cerebro vivo sin modificar su estructura y función, lo que hacía inviable las comparaciones antes y después de la formación de la memoria.
A través de una colaboración multidisciplinaria entre la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC y la Facultad de Letras, Artes y Ciencias Dornsife de la USC, los equipos pudieron determinar por primera vez la fuerza y la ubicación de las sinapsis antes y después del aprendizaje en el cerebro de un pez cebra vivo; un animal comúnmente utilizado para estudiar la función cerebral. El pez cebra es lo suficientemente grande como para tener un cerebro que funcione como el nuestro, pero lo suficientemente pequeño y transparente como para ofrecer una ventana al cerebro vivo. Al mantener vivos a los peces intactos, pudieron comparar las sinapsis en el mismo cerebro a lo largo del tiempo, un gran avance en el campo de la neurociencia.
Para crear memorias a medida, el equipo de investigación tuvo que idear nuevos métodos para inducir a las larvas de pez cebra a aprender. Hicieron esto entrenando a los peces de 12 días de edad para que asociaran el encendido de una luz con el calor en la cabeza con un láser infrarrojo, una acción que intentaron evitar al intentar alejarse nadando. Los peces que aprendieron a asociar la luz con el láser inminente sacudirían la cola, indicando que habían aprendido. Cinco horas de entrenamiento más tarde, el equipo pudo observar y capturar cambios significativos en estos cerebros de pez cebra.
Además de crear este nuevo enfoque, Arnold, un neurocientífico de USC Dornsife y profesor de ciencias biológicas e ingeniería biomédica, dirigió un equipo que creó nuevos métodos para alterar el ADN de los peces para que la fuerza y la ubicación de una sinapsis se marcarán con un Proteína fluorescente que brilla cuando es escaneada por un láser.
“Nuestras sondas pueden etiquetar las sinapsis en un cerebro vivo sin alterar su estructura o función, lo que no era posible con las herramientas anteriores”, dijo Arnold.
Esto hizo posible que el microscopio especializado desarrollado por el equipo de Fraser escaneara el cerebro y obtuviera imágenes donde se ubicaban las sinapsis.
«El microscopio que construimos fue diseñado para resolver este desafío de imágenes y extraer el conocimiento que necesitábamos», dijo Fraser, profesor rector de ciencias biológicas e ingeniería biomédica en el Centro Michelson de Biociencia Convergente de la USC, con citas en la USC Viterbi, la USC Dornsife, y la Escuela de Medicina Keck de la USC. “A veces, intentas conseguir una imagen tan espectacular que matas lo que estás mirando. Para este experimento, tuvimos que encontrar el equilibrio adecuado entre obtener una imagen que fuera lo suficientemente buena para obtener respuestas, pero no tan espectacular como para matar a los peces con fotones”.
Con este innovador microscopio, pudieron observar cambios en animales vivos y obtener imágenes de antes y después de los cambios en el mismo espécimen. Anteriormente, debido a que los experimentos se realizaban en especímenes fallecidos, solo podían comparar dos cerebros diferentes, uno condicionado y otro no.
“Esta es una imagen ninja, nos colamos sin ser notados”, dijo Fraser.
El resultado fueron cientos de imágenes y experimentos que tuvieron que ser procesados y analizados. Un tercer grupo, dirigido por Kesselman, científico informático del Centro Michelson de biociencia convergente de la USC y profesor de ingeniería William H. Keck en la USC Viterbi, desarrolló nuevos algoritmos innovadores que hicieron esto posible mientras realizaban un seguimiento de los grandes y complejos experimentos que se estaban realizando. realizado durante la duración de la investigación.
Resultados Sorprendentes
La conclusión principal al analizar esas imágenes: en lugar de que la memoria hiciera que cambiara la fuerza de las sinapsis existentes, las sinapsis en una parte del cerebro se destruyeron y se crearon sinapsis completamente nuevas en una región diferente del cerebro.
“Durante los últimos 40 años, la sabiduría común era que se aprende cambiando la fuerza de las sinapsis”, dijo Kesselman, quien también se desempeña como director de la División de Informática en el Instituto de Ciencias de la Información de la USC y es profesor en el Instituto Daniel J. Epstein. Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas, “pero eso no es lo que encontramos en este caso”.
“Este fue el mejor resultado posible que pudimos haber tenido”, dijo Arnold, “porque vimos este cambio dramático en la cantidad de sinapsis: algunas desaparecieron, otras se formaron, y lo vimos en una parte muy distinta del cerebro. El dogma era que las sinapsis cambian de fuerza. Pero me sorprendió ver un fenómeno de tira y afloja, y que no vimos un cambio en la fuerza de las sinapsis».
Los resultados sugieren que los cambios en el número de sinapsis codifican recuerdos en el experimento y pueden ayudar a explicar por qué los recuerdos asociativos negativos, como los asociados con el trastorno de estrés postraumático son tan sólidos. (TEPT)
“Se ha pensado que la formación de la memoria implica principalmente la remodelación de las conexiones sinápticas existentes”, dijo Arnold, “mientras que en este estudio encontramos la formación y eliminación de sinapsis, pero solo vimos pequeños cambios aleatorios en la fuerza sináptica de las sinapsis existentes. Esto puede deberse a que este estudio se concentró en los recuerdos asociativos, que son mucho más sólidos que otros recuerdos y se forman en un lugar diferente del cerebro, la amígdala, en comparación con el hipocampo para la mayoría de los otros recuerdos. Esto algún día puede tener relevancia para el TEPT, que se cree que está mediado por la formación de recuerdos asociativos”.
Un aspecto inusual del artículo y el estudio asociado fue su enfoque en cómo hacer que los resultados de la investigación sean lo más transparentes y reproducibles posible, haciendo que cada dato asociado con el artículo se pueda buscar y esté disponible para cualquier científico en un sitio web disponible públicamente. Mapeo del sinaptoma dinámico. La accesibilidad de todos los datos y el código es esencial para reproducir los resultados científicos, pero rara vez se logra el acceso a todos los datos que se usaron para producir un artículo. Por ejemplo, estudios recientes han demostrado que solo el 20% de la investigación sobre el cáncer es reproducible porque los datos no están disponibles.
“El equipo de la USC ha establecido un nuevo estándar para el acceso a los datos en el sentido de que todos los datos generados durante la investigación de seis años fueron capturados y organizados para esta investigación”, dijo Kesselman, quien diseñó este nuevo paradigma. “Hemos abordado este problema desde el principio mediante la creación de un sistema completo diseñado para compartir y analizar datos. Fue útil mientras hacíamos nuestros experimentos porque los equipos podían acceder a los datos en todo momento y guiará a aquellos que quieran usar nuestro trabajo en el futuro”.
Foto: Una imagen de una neurona de rata viva en cultivo con las sinápsis marcadas e iluminadas por sondas especiales desarrolladas por investigadores de la USC.
Las sinapsis, los enlaces entre las neuronas que les permiten pasar información entre sí, son fundamentales para todas las funciones del cerebro. Se cree que estos bloques de construcción clave son donde se almacenan los recuerdos, pero los investigadores tienen poca comprensión de cómo cambian cuando se crean los recuerdos. Nuevos conocimientos sobre el papel de las sinapsis en la memoria, el aprendizaje y el olvido, o cómo les afectan el sueño, las drogas y otros estímulos, revolucionarían la comprensión científica de todo el cerebro.
Al obtener imágenes de las sinapsis de los peces antes, durante y después de la experiencia de aprendizaje, el equipo creará un mapa de cambios cerebrales con el aprendizaje. Del mismo modo, el trío de la USC registrará los cambios sinápticos causados por la pérdida de un recuerdo (encendiendo la luz varias veces, pero sin seguirla con una descarga) para que el pez ya no recuerde la conexión entre la luz y la incomodidad.
Eventualmente, los investigadores tendrán varias imágenes muy detalladas de los cambios sinápticos resultantes de diferentes estímulos que, a su vez, deberían proporcionar información sobre los procesos fundamentales que subyacen al aprendizaje y la memoria.
“La gente ha querido ver esto durante los últimos 100 años, pero la tecnología no estaba allí”, dijo Arnold. «Hasta ahora.»
