Científicos desarrollan tecnología para editar circuitos cerebrales con precisión celular

Un equipo liderado por Kafui Dzirasa en la Escuela de Medicina de la Universidad Duke ha creado un "cable" biológico personalizado que permite instalar nuevas conexiones eléctricas entre neuronas cuidadosamente seleccionadas, marcando un avance significativo en la capacidad de editar circuitos cerebrales y comprender cómo las redes neuronales generan comportamiento, según el estudio publicado en Nature.

La tecnología, denominada LinCx (integración a largo plazo de circuitos usando conexinas), se basa en proteínas originalmente encontradas en el pez Morone americana (perca blanca) que forman naturalmente sinapsis eléctricas, según la investigación. Los científicos rediseñaron estas moléculas mediante ingeniería de proteínas para que se acoplen únicamente con un socio diseñado específicamente y no con proteínas cerebrales nativas.

"Al introducir una forma de conectar nuevas conexiones eléctricas con precisión a nivel celular, nuestro estudio marca un paso importante en la capacidad de editar circuitos cerebrales", dijo Dzirasa, profesor presidencial distinguido de Psiquiatría y Ciencias del Comportamiento en Duke, según informó la institución.

La técnica instala un "bypass" eléctrico nuevo entre neuronas específicas, fortaleciendo la comunicación sin modificar directamente las conexiones existentes, según el estudio. A diferencia de las herramientas existentes que a menudo influyen en muchas células a la vez, este enfoque permite cambios selectivos y duraderos en cómo funcionan circuitos cerebrales definidos.

Los investigadores utilizaron mutagénesis de proteínas, desarrollaron un nuevo sistema in vitro para evaluar el acoplamiento de hemicanales de conexina mediante un ensayo basado en fluorescencia llamado FETCH (seguimiento habilitado por flujo de conexosomas en células HEK293FT), y realizaron modelado computacional de interacciones de hemicanales para descubrir un motivo estructural que contribuye a la formación de sinapsis eléctricas, según Nature.

El equipo identificó dos proteínas de conexina del pez perca blanca, conexina 34.7 y conexina 35, que crean una sinapsis eléctrica heterotípica con rectificación inherente, según el estudio. Mediante el diseño dirigido de este motivo, los científicos crearon hemicanales de conexina 34.7 y conexina 35 que se acoplan entre sí para formar una sinapsis eléctrica pero no con otras conexinas principales expresadas en el sistema nervioso central de mamíferos.

Los investigadores validaron esta sinapsis eléctrica in vivo utilizando gusanos Caenorhabditis elegans y ratones Mus musculus, según Nature. El sistema demostró que puede fortalecer la comunicación a través de circuitos neuronales compuestos de pares de tipos celulares distintos y modificar el comportamiento en consecuencia.

En ratones, las conexiones eléctricas dirigidas fortalecieron la comunicación dentro de circuitos específicos, remodelaron patrones de actividad cerebral y produjeron cambios medibles en el comportamiento, incluida la interacción social y las respuestas al estrés, según Duke. En gusanos, agregar nuevas conexiones alteró el comportamiento de búsqueda de temperatura.

"Durante décadas, la neurociencia ha carecido de herramientas que puedan controlar con precisión la comunicación entre tipos celulares específicos", dijo Dzirasa, según la universidad. Los fármacos, la estimulación eléctrica y la optogenética típicamente afectan a poblaciones amplias de células, mientras que los intentos anteriores de usar sinapsis eléctricas a menudo resultaron en conexiones no deseadas, según el investigador. LinCx supera estas limitaciones y puede mejorar estas herramientas sin requerir estimulación externa.

La tecnología apunta hacia un enfoque de tratamiento novedoso: evitar conexiones cerebrales rotas en lugar de repararlas o depender de medicación a largo plazo, según Duke. Los circuitos rotos o interrumpidos en el cerebro contribuyen a muchos trastornos neurológicos.

Para desarrollar el sistema, los investigadores realizaron simulaciones de dinámica molecular de pares homótipicos y heterotípicos de proteínas conexina 34.7 y conexina 35 silvestres y mutantes, según Nature. Encontraron grandes energías de interacción negativas que involucraban residuos específicos, sugiriendo puentes salinos que estabilizan las interacciones de acoplamiento tanto homótipicas como heterotípicas.

El equipo identificó un motivo de interacción común para ambas conexinas que consiste en tres residuos negativos y un residuo positivo, según el estudio. Este motivo de interacción fue consistente con un marco teórico propuesto previamente en el que cuatro residuos subyacen a la especificidad de acoplamiento de la mayoría de los hemicanales de conexina.

Los investigadores probaron los mutantes de conexina contra la conexina 36 humana, la principal conexina expresada por neuronas de mamíferos, y la conexina 43, expresada por astrocitos, según Nature. Ninguna de las proteínas mutantes finales interactuó con la conexina 43 humana, y las variantes seleccionadas tampoco se acoplaron con la conexina 36.

Mediante cribado de laboratorio, incluido el ensayo de fluorescencia recién desarrollado, los científicos identificaron pares con alta especificidad que transmiten de manera confiable señales eléctricas entre células, según Duke. El equipo demostró la versatilidad del sistema tanto en gusanos como en ratones.

"Probaremos a continuación si LinCx es lo suficientemente poderoso como para anular los déficits sinápticos inducidos por interrupciones genéticas de por vida", dijo Dzirasa, según la universidad.

Otros autores de Duke incluyen a Elizabeth Ransey, Gwenaëlle E. Thomas, Ryan Bowman, Elise Adamson, Kathryn K. Walder-Christensen, Hannah Schwennesen, Caly Ferguson, Stephen D. Mague y Nenad Bursac, según la publicación.

El estudio fue financiado por el Fondo Burroughs Wellcome, el Instituto de Ciencias de la Vida Ernest E. Just, la Fundación Hartwell, Hope for Depression Research Foundation, el Instituto Médico Howard Hughes y los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos, según Duke.

La investigación representa el primer enfoque que permite la edición de conectoma, proporcionando una nueva plataforma para estudiar y remodelar la arquitectura física de los circuitos neuronales, según los investigadores. La tecnología podría tener implicaciones para trastornos donde se cree que juegan un papel números anormales de sinapsis u organización de circuitos interrumpida, incluidos el trastorno del espectro autista, la esquizofrenia, la enfermedad de Alzheimer y lesiones cerebrales.