Un estudio muestra cómo se almacenan los recuerdos en el cerebro, con un impacto potencial en condiciones como el TEPT

 10 de enero de 2022

Resumen: Las alteraciones en las sinapsis pueden ayudar a explicar cómo se forman los recuerdos y por qué ciertos tipos de recuerdos son más fuertes que otros.

Fuente: Universidad del Sur de California

¿Qué cambios físicos ocurren en el cerebro cuando se hace un recuerdo?

Un equipo de investigadores de la Universidad del Sur de California ha respondido por primera vez a esta pregunta induciendo un recuerdo en una larva de pez cebra y luego mapeando los cambios en sus cabezas transparentes con células cerebrales iluminadas como Times Square en la víspera de Año Nuevo.

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 piensa 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 Proceedings of the National Academy of Sciences y fue dirigido por Don Arnold, Scott E. Fraser y Carl Kesselman de la USC.

Nuevo método y herramientas.

El estudio fue posible gracias a un nuevo tipo de etiquetado de células 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 marcaran con una 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".

El software especializado desarrollado por el equipo de investigación crea un mapa de la ubicación específica y el tamaño de las sinapsis a partir de la imagen tridimensional del microscopio. Comparando los mapas de sinapsis de antes y después del aprendizaje, podemos identificar las sinapsis que se crearon o eliminaron en el proceso. La línea roja en la figura de la derecha muestra un límite entre las regiones del cerebro que muestran ganancia general y pérdida general. Crédito: Don Arnold, Universidad del Sur de California.

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 TEPT, son tan sólidos.

“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 PTSD, 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. Mapping the DynamicSynaptome. 

El estudio en curso representa la última colaboración interdisciplinaria en la USC con investigadores del Centro Michelson de Biociencia Convergente de la USC, Dornsife, Viterbi y la Escuela de Medicina Keck de la USC.