Nanopartículas para manipular neuronas mediante luz

15/02/2018

Marta Pulido Salgado

Investigación y Ciencia

El uso de pequeñas moléculas capaces de absorber radiación infrarroja y emitir en el espectro visible permitiría estimular zonas cerebrales profundas, inalcanzables hasta la fecha.

Los científicos han diseñado partículas capaces de transformar luz infrarroja en radiación visible. Ello permite manipular la actividad neuronal en zonas profundas del cerebro, una limitación, hasta ahora, de la técnica conocida como optogenética. En la imagen, conexiones neuronales en el hipocampo de ratón. La región CA1 (verde) es responsable de la orientación espacial. En cambio, el área CA2 (rojo) desempeña un importante papel en la formación de recuerdos fruto de las relaciones sociales y la zona CA3 (azul) participa en la memoria a corto a plazo. [Flickr/NIH]

Controlar la actividad de los circuitos neuronales es uno de los mayores retos de la neurociencia. A fin de alcanzar este objetivo, en los últimos años los científicos han desarrollado distintas técnicas. Entre ellas destaca la optogenética, que permite manipular las neuronas mediante el uso de luz visible. Sin embargo, presenta ciertas limitaciones, pues este tipo de iluminación solo alcanza zonas cerebrales superficiales. Ahora, Thomas J. McHugh y su equipo, del Instituto de Ciencias del Cerebro Riken, en colaboración con la Universidad de Tokio, han desarrollado unas peculiares nanopartículas, capaces de absorber luz infrarroja y emitir en el espectro visible, que podrían resolver el problema.

En su trabajo, publicado por la revista Science, los investigadores insertaron proteínas fotosensibles, conocidas como canalrodopsinas, en las membranas neuronales de los ratones. Cuando la luz de onda corta, azul o verde, incide sobre dichas moléculas, estas actúan como canales iónicos que permiten la entrada de partículas con carga eléctrica. Ello excita las neuronas y provoca la transmisión de impulsos nerviosos. No obstante, el tejido cerebral absorbe la radiación azul o verde aplicada a través del cráneo. Este hecho impide el control de áreas profundas del cerebro. Así pues, para alcanzar estas regiones, se requiere la implantación de sondas invasivas.

Ante estos resultados, el grupo de McHugh diseñó nanopartículas con la capacidad de absorber luz infrarroja, que atraviesa tanto hueso como tejido, y convertirla en radiación visible.

La inyección de las singulares partículas en zonas cerebrales profundas permitió a los investigadores controlar la función neuronal mediante la estimulación de los canales fotosensibles, sin dañar el tejido. Así, fue posible activar las neuronas dopaminérgicas del área tegmental ventral, implicada en procesos de adición, recompensa y cognición. En el hipocampo, en cambio, los científicos fueron capaces de inhibir las células neuronales. Ello las protegió del daño provocado por el ácido kaínico, un estímulo sobreexcitador. Finalmente, la optogénetica mediada por nanopartículas permitió alterar la conducta de los roedores, en concreto, su capacidad de formar recuerdos relacionados con el miedo.

La técnica podría ayudar a tratar disfunciones neuronales como las observadas en la enfermedad de Parkinson. Sin embargo, será necesario caracterizar en profundidad la interacción entre las partículas y el tejido cerebral antes de aplicarla en humanos. Asegurar la biocompatibilidad y reducir posibles efectos secundarios es prioritario para McHugh y sus colaboradores. Por esta razón, en un futuro, planean realizar nuevos experimentos con el objetivo de optimizar el proceso y mejorar su precisión.

Referencia: «Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle–mediated optogenetics», de S. Chen et al. en Science, 359, 679–684, 9 de febrero de 2018.