Més a prop de l’atles funcional del cervell

Científics de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya desenvolupen una tècnica que permet saber quina és la funció específica d’un receptor neuronal segons la seva localització en el cervell. L’estudi, publicat a PNAS, es basa en l’activació de fàrmacs fotocommutables amb una precisió micromètrica i ofereix noves oportunitats en neurobiologia.

Esquizofrènia, depressió, miastènia… Un gran nombre de malalties neurològiques s’originen en el mal funcionament d’un receptor neuronal. Aquestes proteïnes, també conegudes com a neuroreceptors, són les encarregades de detectar els neurotransmissors, substàncies químiques que permeten la comunicació entre neurones.

Read more…

Els diferents tipus de neuroreceptors i la seva localització en el sistema nerviós estan ben caracteritzats. Tot i això, la seva funció pot variar depenent de la seva ubicació a la neurona o a les diferents regions del cervell i, fins al moment, no existia cap mètode que permetés als experts conèixer aquestes diferències.

Ara, científics de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) han desenvolupat una tècnica amb la qual han pogut determinar el paper d’un neuroreceptor amb gran precisió espacial i temporal. Aquest mètode, traslladable a altres receptors i proteïnes, proporciona una nova eina per entendre com funciona el cervell.

Aquesta tècnica innovadora obre la porta a cartografiar un atles funcional del cervell. “Ja hi ha atles del cervell, mapes tridimensionals que ens permeten conèixer la seva anatomia i quins neuroreceptors hi ha a cada regió”, explica Pau Gorostiza, cap de l’estudi, professor d’investigació ICREA i responsable del Grup de Nanosondes i Nanocommutadors de l’IBEC. “Però encara no sabem quins rols pot jugar un mateix tipus de receptor a diferents àrees cerebrals. La nostra recerca fa noves passes en el desenvolupament d’un atles funcional del cervell, una eina tan potent com necessària per a la neurobiologia”.

Fotofarmacologia i lògica positiva

Per entendre la funció fisiològica d’un receptor cal saber on, com i durant quant de temps porta a terme la seva activitat. Generalment aquest repte s’ha abordat amb tècniques basades en la modificació genètica i la farmacologia.

No obstant això, aquestes metodologies tenen diverses deficiències. En primer lloc, suposen la inhibició del receptor a tot l’organisme, fet que impedeix observar la funció específica del receptor a cada ubicació. A més, no és possible estudiar en detall els receptors essencials, ja que inhibir-los pot provocar la mort de l’animal.

Però la deficiència més notable és inherent a la tècnica en si: podem identificar la funció d’un receptor basant-nos únicament en el que passa quan no està actiu en un organisme? Aquí és on entra en joc la tècnica desenvolupada per l’equip de Gorostiza. “Hem intentat aplicar una lògica inversa, positiva. Hem utilitzat un fàrmac que inhibeix específicament el neuroreceptor mGlu5, i que, a més, és fotocommutable. Això vol dir que podem activar els receptors allà on il·luminem. Utilitzant un làser de llum infraroja polsada, hem aconseguit activar-amb precisió de micròmetres (mil·lèsimes de mil·límetre) i a gran profunditat. D’aquesta manera, hem pogut veure com actua el neuroreceptor a les diferents regions d’una mateixa neurona”, explica l’expert.

A més de permetre el control espacial de l’activitat del neuroreceptor, la tècnica proporciona un gran control en el temps de durada de l’activitat. “Per primera vegada, podem aplicar farmacologia en 4D: no només controlem on s’activa el fàrmac a nivell tridimensional, sinó que també podem decidir durant quant de temps. Només cal apagar el làser”.

La clau de l’estudi es troba en l’ús d’estimulació de doble fotó mitjançant làsers infrarojos polsats. Fins fa poc, les tècniques basades en molècules fotocommutables empraven làsers de llum contínua violeta o blava (estimulació d’un fotó) per activar aquests compostos, però aquest mètode no permet focalitzar l’estímul en tres dimensions. L’estimulació de dos fotons, inicialment teoritzada per Maria Goeppert Mayer, Nobel de Física l’any 1965, i demostrada pels guanyadors del Nobel de Física del 2018, Donna Strickland i Gérard Mourou, ha representat una revolució per a la visualització i la manipulació de l’activitat neuronal.

“El cervell és l’òrgan més complex que existeix i, malgrat que la seva anatomia i els gens que s’hi expressen s’han caracteritzat amb una elevada resolució, fins ara no existia un mètode amb el qual caracteritzar la funció in situ dels receptors neuronals amb resolució espacial i temporal””, assegura Silvia Pittolo, primera autora del treball i actualment becaria Marie Skłodowska-Curie a la Universitat de Califòrnia a San Francisco. “La nostra investigació podria ser la clau per desbloquejar algunes de les incògnites que amaga el cervell i les xarxes que el formen. Si aconseguim desxifrar la funció específica de cada receptor depenent de la seva localització, estarem més a prop d’entendre la totalitat de la xarxa neuronal.”

El treball s’ha realitzat en col·laboració amb científics de l’Institut de Recerca Biomèdica de Barcelona (IRB), un centre que, igual que l’IBEC, forma part de l’Institut de Ciència i Tecnologia de Barcelona (BIST); així com investigadors de del Instituto Cajal, la Universitat de Barcelona (UB), l’Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC), el  Centro de Investigación Biomédica en Red sobre Enfermedades Neurodegenerativas (CIBERNED-ISCIII) i el Centro de Investigación Biomédica en Red en el área temática de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN).

Article de referència: Pittolo et al. Reversible silencing of endogenous receptors in intact brain tissue using two-photon pharmacology. PNAS, 2019. DOI: https://doi.org/10.1101/515288