Brillando una nueva luz sobre el cerebro

  Optogenética - una nueva metodología que implica la expresión de la luz que responden a las proteínas en

grupos específicos de neuronas, que pueden ser activados con luz - sólo ha sido de alrededor de seis años,

pero algunos investigadores ya lo están utilizando para atacar grandes cuestiones psiquiátricas Michael

Gross. informes.

Las herramientas habían sido abandonadas en el cobertizo durante muchos años, pero nadie se molestó en combinarlos y ver si funciona. Hace cuatro décadas, en 1971, Walther Stoeckenius y Oesterhelt Dieter aislado la proteína bacteriorodopsina de la membrana púrpura de halobacterias (arqueas halófilas) del Mar Muerto y demostró que responde a la luz de bombeo iones a través de una membrana. Durante muchos años, este fue considerado como el futuro de las computadoras biomoleculares, pero ese futuro nunca se cumplió. En la década de 1980, las herramientas para expresar genes extraños en casi cualquier tipo de célula se perfeccionaron, por lo que uno podría haber puesto bacteriorodopsina en neuronas de mamíferos, pero nadie lo hizo. Otras proteínas microbianas fotosensibles fueron descubiertos, incluyendo el cloruro de bomba halorhodopsina (también de arqueas halófilas) en 1977 y el canal de cloruro canalrodopsina de alga verde Chlamydomonas reinhardtii en 2002. Todavía no ha pasado nada.En 2004, el psiquiatra Karl Deisseroth, la creación de un nuevo grupo de investigación en Stanford, decidió tratar de ver si estos canales podrían servir para manipular las neuronas. Con su primer compañeros de trabajo, introdujo canalrodopsina-2 en cultivos de neuronas de mamíferos, creyendo que se trataba de un proyecto de alto riesgo que bien podría terminar sin ningún resultado útil. "Contra todos los pronósticos, los experimentos funcionaron sorprendentemente bien", recuerda Deisseroth en Scientific American (diciembre de 2010). "Usando nada más que seguros pulsos de luz visible, logramos confiable, milisegundo de precisión control sobre los patrones de las células de disparo de potenciales de acción." Al unir el gen de la opsina presentó a los tipos específicos de los promotores, los investigadores pudieron asegurar que sólo específico , los grupos definidos funcionalmente de las neuronas se convertiría en respuesta a la luz. El único otro componente necesario para el experimento, todo-trans-retinal, resultó estar presente en cantidades suficientes ya.

En agosto de 2005, un grupo de Deisseroth publicó el primer informe sobre la nueva herramienta y la

metodología naciente alrededor de ella, para lo cual presentó 'optogenética' en el plazo del año siguiente. Muy

rápidamente, el laboratorio de Deisseroth, y muchos otros que comenzaron a usar el nuevo método,

desarrollado herramientas adicionales, incluyendo rodopsinas híbridos con especificidades diferentes

longitudes de onda, y los componentes ópticos que permiten a los investigadores a centrarse en áreas

específicas del cerebro en vivo, con libertad de movimientos animales. Channelrhodopsins y halorhodopsins

muy útil complementan entre sí, ya que las células nerviosas ex activan en respuesta a la luz azul, mientras

que el último silencio cuando expuesto a amarillo-verde claro.

El flujo de sangre versus la actividad neuronal

El año pasado, el grupo de Deisseroth conectada la técnica con otro juguete favorito de neurocientíficos -

proyección de imagen de resonancia magnética funcional (fMRI). La rápida propagación de fMRI en las dos

últimas décadas ha conducido a muchos avances, pero también a un trabajo de calidad cuestionable, como

neurólogo Craig Bennett destacó con su lengua en la mejilla publicación "correlatos neurales de Interspecies

Tomar perspectiva en el Atlántico Post-Mortem Salmón: Un Argumento para la corrección adecuada

comparaciones múltiples "(JSUR (2010), 1, 1-5). Bennett había utilizado un salmón muerto para mostrar que

la fMRI puede producir evidencia putativa de la actividad del cerebro, incluso en ausencia de un cerebro

vivo. Con esto, quiso llamar la atención sobre el hecho de que más de una cuarta parte de los estudios de

fMRI publicados en revistas respetadas no incluyen los controles que sean necesarios para descartar

artefactos tales como observó con los salmones muertos.

Otro problema con fMRI es que mide el flujo de sangre que contiene oxígeno en el cerebro, y no la actividad de las neuronas como tales. Se asume generalmente que las neuronas activas se necesitan más oxígeno, y

por lo tanto aparecen en las imágenes de resonancia magnética funcional, pero no ha habido ninguna forma directa de confirmar esta suposición.

Combinando optogenética y fMRI, Deisseroth grupo ha demostrado que la actividad neuronal provocada por

pulsos de luz en efecto, producir las señales de resonancia magnética funcional que uno esperaría a ver (la

Naturaleza (2010),465, 788-792). Sin embargo, como David Leopold del Instituto Nacional de Salud Mental en

Bethesda, Maryland, EE.UU., advierte en un comentario acompañante, "esta observación debe ser

interpretado con cautela: es probable que los elementos intermedios neurales y no neurales también hacen un

complejo contribución a la respuesta vascular. "Por otra parte, el hallazgo de que los estímulos optogenético

hacer producir las señales de resonancia magnética funcional no excluye la producción de falsos positivos

señales de resonancia magnética funcional como las de salmón muerto Bennett.

Luminoso nueva luz sobre el cerebroOptogenética - una nueva metodología que implica la expresión de la luz que responden a las proteínas en grupos específicos de neuronas, que pueden ser activados con luz - sólo ha sido de alrededor de seis años, pero algunos investigadores ya lo están utilizando para atacar grandes cuestiones psiquiátricas Michael Gross. informes.

Vinculación de olor con el comportamientoEl grupo de Richard Axel en la Universidad de Columbia, Nueva York, ha solicitado la optogenética para dilucidar el papel de la corteza piriforme en la respuesta conductual a la percepción olfativa.

Luz verde: Dos fotones de láser de barrido lateral imagen de una neurona habenula del estudio de Bo Li et

al, que utiliza la optogenética para estudiar los aspectos de la depresión en un modelo de rata (Naturaleza

(2011), 470, 535-539).. Los investigadores utilizan marcadores fluorescentes como GFP en combinación con

la optogenética para visualizar los grupos de neuronas que expresan las opsinas. (Reproducido con permiso.)

Axel, junto con Linda Buck, describió los primeros receptores moleculares para odorantes en 1991, y ambos compartieron el Premio Nobel de 2004 de Fisiología y Medicina por su trabajo. Las neuronas que expresan estos receptores pasar las señales a la corteza piriforme, que a su vez habla a las estructuras cerebrales relacionadas con el comportamiento aprendido, incluyendo la amígdala, ganglios basales, hipocampo.Grupo de Axel expresado canalrodopsina-2 en grupos de tan pocos como 300 neuronas piriforme en ratones (Cell (2011), 146, 1004-1015). Los investigadores entonces utilizaron la activación de estas células por la luz como un estímulo condicionado, combinado con un estímulo incondicionado aversivo o apetitivo. "La belleza

de este estudio se basa en la idea de evitar optogenetically entrada sensorial y activar directamente conjuntos neuronales en la corteza", dice André Fiala, de la Universidad de Göttingen (Alemania), quien no estuvo involucrado en el trabajo. Los autores encontraron que el mismo grupo de neuronas podrían ser entrenados para disparar ya sea un fraude o una conducta apetitiva. Llegan a la conclusión de que la asignación de las neuronas piriformes a las respuestas de comportamiento es independiente de la disposición espacial y se basa en la experiencia. Esto corresponde a las primeras demostraciones de que el mismo olor pueden producir respuestas de comportamiento opuestos dependiendo de la experiencia.

Cuando los investigadores entrenaron a los ratones mismos de forma secuencial con los estímulos opuestos,

el aire pasa a la experiencia más reciente, y el aprendizaje fue tan rápido como en los animales no tratados

previamente, sobrescribiendo el condicionamiento anterior. Sin embargo, al aplicar dos experiencias opuestas

de capacitación para diferentes subconjuntos de neuronas, ambas respuestas persistió en paralelo. Axel y sus

colaboradores concluyen que el condicionamiento de las neuronas piriforme es suficiente para producir

respuestas de comportamiento, y que, a diferencia de la visión, el oído y el tacto, no hay un papel para la

orden topográfico, o circuitos de desarrollo programado. "Los autores no sólo demuestran que la actividad

artificialmente provocada de las neuronas en la corteza piriforme puede estar asociada con castigar o premiar

a los estímulos", explica Fiala. "Además, al azar orientación de la herramienta optogenético a las neuronas

que demuestran de manera impresionante que a este nivel de procesamiento de valencia se puede asignar a

un distribuido, conjunto no espacialmente o de desarrollo predeterminado de las neuronas a través de

experiencia. Más bien, cualquier combinación de las neuronas en la corteza piriforme que se activan

simultáneamente pueden ser entrenados para inducir un comportamiento aprendido, independiente de que el

aprendizaje implica recompensa, castigo o aspectos sociales ".

Mal estado de ánimo: los trastornos psiquiátricos son un problema de salud global en términos de años de vida perdidos por muerte o discapacidad, pero debido a la complejidad del cerebro humano, se sabe muy poco acerca de sus causas biológicas. Esta pintura, Ansiedad, 1894, es artista noruego Edvard Munch, que sufría de depresión grave a sí mismo y es conocido por sus imágenes inquietantes de personas con problemas emocionales, incluyendo su más famoso, El grito.(Imagen: Photolibrary.com)

Mal estado de ánimo: los trastornos psiquiátricos son un problema de salud global en términos de años de vida perdidos por muerte o discapacidad, pero debido a la complejidad del cerebro humano, se sabe muy poco acerca de sus causas biológicas. Esta pintura, Ansiedad, 1894, es artista noruego Edvard Munch, que sufría de depresión grave a sí mismo y es conocido por sus imágenes inquietantes de personas con problemas emocionales, incluyendo su más famoso, El grito.(Imagen: Photolibrary.com)

Orientación de enfermedad psiquiátricaMientras tanto, el grupo de Karl Deisseroth y otros grupos se están preparando para aplicar las herramientas de la optogenética para los trastornos psiquiátricos que Deisseroth muy motivado de

investigación desde el principio. En febrero, Bo Li y sus colegas de la Universidad de California en San Diego caracteriza específicas respuestas neuronales asociados a los modelos establecidos de

depresión en ratas (Nature (2011), 470, 535-539). Tres semanas más tarde, un grupo de Deisseroth pudo demostrar que la ansiedad puede ser aumentado o disminuido por la manipulación de elementos optogenético circuitos específicos en la amígdala (la Naturaleza (2011), 471, 358-362).

En su más reciente publicación, Deisseroth y compañeros de trabajo frente a una hipótesis actual en relación a la disfunción social asociados a trastornos psiquiátricos como la esquizofrenia y el

autismo (la Naturaleza (2011), 477,171-178). La hipótesis de que un incremento en la proporción de excitación celular cortical a la inhibición (denominado E / I equilibrio) podrían causar déficits

sociales y cognitivas. Sin embargo, no está claro todavía si este puede ser una enfermedad aguda o un efecto crónico.

Grupo Deisseroth creado un nuevo conjunto de herramientas optogenético incluyendo opsinas

quiméricos con retazos de piezas de las proteínas naturales. Con estos, se aumenta artificialmente la E / I equilibrio en la corteza prefrontal medial de libertad de movimientos ratones para estudiar su efecto sobre los comportamientos sociales y de aprendizaje.Los autores informan que la activación de las opsinas en neuronas excitadoras de la corteza prefrontal "dio lugar a alteraciones profundas, pero reversible, en la función social y cognición sin anormalidades motoras o ansiedad creciente." Un experimento de control aplicable a la misma manipulación de la corteza visual primaria no afectan el comportamiento social. Las anormalidades de comportamiento producidos mediante la estimulación de las neuronas excitadoras en la corteza prefrontal podría ser mejorado con la estimulación de las neuronas inhibidoras.

PerspectivaLas nuevas oportunidades creadas por la invención de herramientas optogenético han estimulado gran esperanza y entusiasmo en las neurociencias, al igual que la invención de la resonancia magnética funcional hace 20 años. Sin embargo, existen también las llamadas a la prudencia, para evitar la sobre-entusiasta interpretación de los datos de la clase que ha asolado el campo de resonancia magnética funcional, que Bennett destacó con su experimento de salmón. El neurocientífico Nikos Logothetis del Instituto Max Planck para la Cibernética Biológica en Tubinga, Alemania, cree que es demasiado pronto para aplicar el conjunto de herramientas optogenético a preguntas médicas. "Si varios grupos unieron sus fuerzas para investigar exactamente lo que ocurre en diferentes lugares durante la estimulación optogenética, poco a poco se entiende mejor lo que estamos haciendo y podría también responder a preguntas orientadas médicamente," dice, "pero esto llevará tiempo."

Pequeño príncipe de Darwin -Florian Maderspacher

El Príncipe de la Evolución - Peter Kropotkin Las aventuras de ciencia y políticaAlan Lee Dugatkin978-1461180173 ISBN-13En octubre de 1876, los lectores de la revista Nature, podría encontrar una breve reseña de los "valiosos" dos folletos que describen la geografía y la orientación de las cadenas montañosas de Siberia. Los folletos fueron escritos por un tal P. Kropotkin y llegó a la conclusión de que la dirección principal de las cadenas montañosas de Asia fue una diagonal del suroeste al noreste, una cuestión de gran contención en ese momento. Poco que los lectores de laNaturaleza sabe, sin embargo, que el autor que revisó los folletos era exactamente el mismo Kropotkin señor que los había creado.

Esto no es más que una anécdota de la vida del príncipe Pjotr Alexejevich Kropotkin (1842-1921) que es objeto de una breve biografía por el biólogo evolutivo Lee Dugatkin, una vida tan colorida y turbulenta, errático e impulsado que sólo pudo haber sido vivida en la frontera entre dos mundos: el mundo antiguo de Rusia feudal, y el nuevo mundo de la era industrial se aproxima y

moderno. Kropotkin, sin embargo, cruzado más de una frontera en su vida: descendiente de la nobleza rusa vieja - era el zar página favorita de Alejandro II en un momento dado - que trasciende a la vida errante de un académico independiente y activista social, vivió en Rusia, Suiza , Francia e Inglaterra, y escribió y dio conferencias sobre temas tan dispares como la geología y la geografía, la literatura y la música, la evolución y la anarquía.Entre los aspectos más destacados de la vida de Kropotkin (y libro Dugatkin) es un escape de la prisión meticulosamente planeado (basta con decir, se trataba de globos y un violinista) de la espantosa prisión de San Pedro y San Pablo en San Petersburgo, donde había sido encarcelado por dos años a causa de sus opiniones políticas. Vida de Kropotkin contiene material suficiente para un libro mucho más largo que Dugatkin de 100 páginas o menos, y tal vez uno con una narrativa más novelesca también.

Kropotkin es hoy en día más recordado por ser un anarquista (con una barba grande para que coincida con la imagen). Su defensa del anarquismo, en contraste con el epíteto de glamour 'príncipe ruso ", que fue lo que atrajo a las multitudes por las miles de personas en sus giras de conferencias americanas en el año 1900. Pero el anarquismo de Kropotkin no tuvo nada que ver con el terrorismo político.

Suave y el príncipe anarquista humilde: Peter Kropotkin viajando a través de la ciudad sueca de Haparanda en 1917. (Imagen:. Wikipedia.org)