Cómo responde el cerebro a las señales luminosas de la retina

Cómo responde el cerebro a las señales luminosas de la retina.

En las últimas décadas, los científicos han aprendido mucho sobre cómo las diferentes neuronas se conectan y envían señales entre sí. Pero ha sido difícil rastrear la actividad de las fibras nerviosas individuales conocidas como axones, algunas de las cuales pueden extenderse desde la punta del dedo del pie hasta la cabeza. Comprender estas conexiones es importante para descubrir cómo el cerebro recibe y responde a las señales de otras partes del cuerpo: cómo responde el cerebro a las señales luminosas de la retina.

Investigadores del Instituto Salk y de la Universidad de California en San Diego informan una técnica novedosa para rastrear estas conexiones y determinar cómo se comunican las neuronas. El equipo utilizó esta técnica para descubrir detalles sobre cómo responde el cerebro a las señales de luz recibidas por la retina en ratones, publicado el 15 de octubre de 2019 en Cell Reports.

Este estudio es un gran avance porque nadie antes había sido capaz de descubrir cómo estudiar estas conexiones. Esta nueva técnica nos ha permitido ir más allá de las limitaciones de la microscopía electrónica, explica Satchidananda Panda, profesor de Salk, y co-autor del artículo.

El nuevo método utiliza varias técnicas de laboratorio diferentes para entender un tipo de neurona llamada células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (ipRGC). Estas células, que se encuentran en la retina, en la parte posterior del ojo, expresan una proteína llamada melanopsina que detecta la luz azul.

Los equipos de Salk y UCSD utilizaron un virus para administrar una proteína llamada proteína mini-singlete generadora de oxígeno (mini-SOG) a los ipRGC, para que las células pudieran verse con más detalle con un microscopio electrónico. El sistema fue diseñado para unir el mini-SOG a las membranas de las células sensibles a la luz para que toda la neurona, incluidos sus axones largos que se extienden a diferentes partes del cerebro, pueda rastrearse fácilmente tanto con luz como con microscopio electrónico.

«Gracias al desarrollo y la aplicación de nuevas sondas introducidas genéticamente para imágenes microscópicas de luz y electrones multiescala correlacionadas, nuestros equipos de investigación basados ​​en Salk y UCSD pudieron seguir los pequeños procesos que emanan de las células nerviosas, desde la retina hasta múltiples lugares donde se conectan a las regiones cerebrales críticas para los ritmos circadianos, los reflejos oculares y la visión «, dice Mark Ellisman, distinguido profesor de neurociencias en la Universidad de California en San Diego y profesor adjunto en Salk, quien co-dirigió el trabajo. «Pudimos obtener información tridimensional sin precedentes sobre la maquinaria requerida para que estas células neuronales señalen las próximas neuronas en los circuitos complejos».

La mayor parte del trabajo anterior con mini-SOG se realizó en líneas celulares, y su uso en ratones para mapear cómo las neuronas de la retina conectan el cerebro fue la primera, según los investigadores. El método les permitió obtener nueva información sobre las conexiones entre ipRGCs y diferentes partes del cerebro.

Se sabe que los ipRGC se conectan a muchas regiones del cerebro que regulan tareas muy diferentes. Las células le dicen a una parte del cerebro la luminosidad que hay fuera para que nuestra pupila pueda cerrarse rápidamente, en menos de un segundo. Los mismos ipRGC también se conectan al reloj maestro en el cerebro que regula nuestro ciclo de sueño-vigilia.

«Sin embargo, se necesitan varios minutos de luz brillante para que estemos completamente despiertos», dice Panda. «Hasta ahora no estaba claro cómo los mismos ipRGC realizan estas tareas tan diferentes con escalas de tiempo diferentes».

Los investigadores encontraron que la diferencia tiene que ver con la forma en que la luz detectada por la retina llega al cerebro. Al suministrar el mini-SOG en los ojos de los ratones, pudieron rastrear la señal hasta la parte del cerebro que contrae la pupila en respuesta a la luz.

«Estas conexiones eran mucho más fuertes, similar al agua que salía de una manguera de jardín», dice Panda. «Mientras que la conexión entre los ipRGC y los relojes maestros eran más débiles, más como el riego por goteo». Debido a que los ipRGC entregan la señal luminosa al centro circadiano a través de este sistema de goteo más lento, toma más tiempo para que cualquier información significativa llegue y restablezca el reloj cerebral.

«Esta investigación ayuda a explicar por qué, cuando te levantas por la noche para beber un vaso de agua y enciendes la luz durante unos segundos, generalmente puedes volver a dormirte», dice Panda. «Pero si escuchas un ruido afuera y terminas caminando alrededor de tu casa durante media hora con las luces encendidas, es mucho más difícil. Habrá suficiente señal luminosa que llegará a las neuronas del reloj maestro en el cerebro que finalmente despertará al resto del propio cerebro.»

Panda dice que la nueva técnica será útil para estudiar otras conexiones neuronales, ya que los investigadores pueden usar esencialmente los mismos virus para expresar mini-SOG en cualquier neurona y preguntar cómo diferentes neuronas hacen conexiones a diferentes extremos.

«Estos hallazgos y métodos abren nuevas oportunidades para los investigadores del cerebro que estudian el cableado a larga distancia de los cerebros en modelos normales y animales de enfermedades humanas», agrega Ellisman.

Traducción: Asociación Mácula Retina.