Científicos logran revertir síntomas de la enfermedad de Huntington mediante estimulación de neuronas inhibitorias

La enfermedad de Huntington es un trastorno del movimiento devastador sin cura en la actualidad, causado por una expansión de repeticiones CAG en el exón 1 del gen de la huntingtina, según explica el estudio publicado en Nature. Aunque la base genética de la enfermedad está bien definida, los efectos complejos que subyacen a los síntomas conductuales son poco comprendidos.

Un equipo de investigadores utilizó imágenes de calcio por microscopía de dos fotones in vivo para examinar la actividad de tres subtipos de neuronas inhibitorias corticales y neuronas de proyección corticoestriatales en la corteza motora del modelo de ratón transgénico R6/2 de la enfermedad de Huntington a lo largo de la progresión de la enfermedad, según detalla el estudio.

Los científicos descubrieron que los déficits motores en los ratones R6/2 estaban acompañados por anormalidades específicas de cada subtipo neuronal en la actividad relacionada con el movimiento. Esto incluyó una marcada hipoactividad de las neuronas inhibitorias que expresan péptido intestinal vasoactivo (VIP) y de las neuronas corticoestriatales, que también se observó en el modelo de ratón knock-in zQ175DN de la enfermedad de Huntington, según los hallazgos publicados.

Para investigar los mecanismos neuronales subyacentes a los síntomas motores en la enfermedad de Huntington, los investigadores entrenaron a los ratones en una tarea de escalera motorizada, en la cual los ratones aprendían a caminar sobre una escalera circular con peldaños igualmente espaciados bajo fijación de la cabeza en la oscuridad. La tarea requiere colocación precisa de las extremidades anteriores, agarre y adaptación rápida, funciones asociadas con la corteza motora, según describe el estudio.

Comparados con los controles, los ratones R6/2 exhibieron una serie de déficits en la cinemática del movimiento. Los ratones R6/2 mostraron más arrastre de las extremidades traseras que los ratones control, con la diferencia volviéndose más aparente con el tiempo, según los datos. El análisis de autocorrelación de las trayectorias de las patas reveló una regularidad consistentemente menor en el patrón de marcha de los ratones R6/2. Aunque los ratones control mostraron un pico claro de cadencia a aproximadamente 1.3 Hz, indicando consistencia en la frecuencia de zancada, los ratones R6/2 carecían de tal pico y mostraron una cadencia general reducida, según el análisis de Fourier.

Para vincular estas anormalidades conductuales con la función del circuito cortical, los investigadores registraron la actividad de varios subtipos de neuronas corticales en ratones durante la tarea de escalera con imágenes de calcio por microscopía de dos fotones. Marcaron las neuronas VIP, las neuronas que expresan somatostatina (SST) y las neuronas que expresan parvalbúmina (PV) mediante la inyección de vectores AAV que expresan GCaMP6f de manera dependiente de Cre en el área caudal de la extremidad anterior de la corteza motora primaria de las respectivas líneas Cre, según la metodología descrita.

En los ratones R6/2, las neuronas VIP exhibieron una ausencia casi completa de actividad relacionada con el movimiento, incluyendo una fracción anormalmente grande de neuronas suprimidas durante el período de movimiento, según los resultados. Por el contrario, las neuronas SST y PV estaban hiperactivas durante los movimientos en los ratones R6/2 en comparación con los controles.

Para investigar cómo tales desregulaciones específicas de subtipo de las neuronas inhibitorias corticales en los ratones R6/2 podrían reflejarse en la actividad de las neuronas principales corticales, los investigadores examinaron las neuronas corticoestriatales que se proyectan al estriado dorsolateral, que es la parte del estriado más severamente afectada en la enfermedad de Huntington. Estas neuronas corticoestriatales fueron dirigidas mediante marcaje retrógrado para expresar GCaMP8s. Los científicos observaron que la actividad de las neuronas corticoestriatales durante el movimiento estaba significativamente reducida en los ratones R6/2 en comparación con los controles, según los datos.

Las neuronas corticoestriatales en la capa 2/3 y la capa 5 de la corteza motora primaria ambas mostraron reducciones de actividad. La hipoactividad de las neuronas VIP se observó a través de la corteza motora primaria, la corteza somatosensorial primaria y la corteza visual primaria. La actividad de las neuronas VIP y corticoestriatales estaba reducida en todos los puntos temporales de la progresión de la enfermedad, según el estudio.

Para probar si la actividad alterada de los subtipos de neuronas inhibitorias corticales es generalizable a través de diferentes movimientos, los investigadores utilizaron otro paradigma conductual en el cual ratones con la cabeza fijada fueron colocados sobre una rueda de superficie continua que los ratones podían girar mediante locomoción espontánea. Usando un algoritmo de aprendizaje profundo semi-supervisado aplicado a videos, las épocas conductuales fueron clasificadas en diferentes categorías conductuales. Estas categorías de comportamientos espontáneos incluyeron épocas "activas" como "locomoción", "acicalamiento" y "espasmos" de las extremidades anteriores, así como épocas "inactivas" correspondientes a períodos etiquetados como "descanso" y "sentado", según la metodología.

Los ratones control mostraron una distribución de estas épocas que fue consistente a lo largo de los puntos temporales, mientras que los ratones R6/2 demostraron una distribución diferente en la etapa temprana, así como una desviación progresiva del patrón visto en los ratones control. Específicamente, la duración acumulativa de las épocas activas disminuyó significativamente y las épocas inactivas aumentaron correspondientemente, según los resultados. La disminución de las épocas activas en los ratones R6/2 fue en gran medida explicada por una disminución en los períodos de locomoción.

En los ratones control, la actividad de las neuronas VIP fue mayor durante los estados conductuales activos que durante los estados inactivos. Sin embargo, esta modulación se invirtió en los ratones R6/2, en los cuales las neuronas VIP se volvieron menos activas al inicio de comportamientos motores activos y más activas en las transiciones a estados conductuales inactivos, según los datos. En contraste con las neuronas VIP, las neuronas SST en los ratones control mostraron solo actividad moderada durante comportamientos activos, mientras que las neuronas SST en los ratones R6/2 exhibieron actividad relacionada con el movimiento mucho más pronunciada. Además, la actividad de las neuronas PV estaba elevada durante el movimiento en los ratones R6/2, según el estudio.

Estos resultados revelan disfunciones específicas de subtipo neuronal del circuito cortical en la enfermedad de Huntington. En particular, dada la conectividad conocida entre estos subtipos neuronales (las neuronas VIP inhiben a las neuronas SST y PV, que a su vez inhiben a las neuronas corticoestriatales), la ausencia de actividad relacionada con el movimiento en las neuronas VIP podría ser parcialmente responsable de la hiperactividad de las neuronas PV y SST y la hipoactividad de las neuronas corticoestriatales, según interpretan los investigadores.

La alteración específica de subtipo neuronal de la actividad en la enfermedad de Huntington ofrece una oportunidad potencial para la intervención para normalizar la función de la red cortical mediante una modulación dirigida de subtipos neuronales genéticamente definidos. Las neuronas VIP están aguas arriba de los otros tipos neuronales observados, y su hipoactividad en los ratones R6/2 podría desinhibir a otras neuronas inhibitorias llevando a su hiperactividad, lo que a su vez resultaría en un aumento de la inhibición de las neuronas corticoestriatales explicando su hipoactividad, según la hipótesis de los investigadores.

Los científicos plantearon la hipótesis de que la estimulación artificial de las neuronas VIP podría corregir la hipoactividad de las neuronas corticoestriatales en los ratones R6/2. Por lo tanto, eligieron las neuronas VIP como el objetivo para la manipulación usando optogenética, según explica el estudio.

La activación optogenética de las neuronas VIP en los ratones R6/2 restauró niveles saludables de actividad en las neuronas VIP y sus neuronas corticoestriatales aguas abajo y mejoró los déficits motores en los ratones R6/2, según los resultados experimentales. Las mejoras conductuales persistieron durante días después de la estimulación, según los hallazgos.

Los investigadores también probaron los ratones knock-in zQ175DN, que expresan huntingtina mutante de longitud completa y muestran una progresión de la enfermedad más lenta que los R6/2, en una etapa temprana de la enfermedad (6 meses de edad). Los ratones zQ175DN mostraron un aumento leve pero significativo en el arrastre de las extremidades traseras, pero ningún deterioro evidente en otros parámetros cinemáticos en la tarea de escalera. Las neuronas VIP y corticoestriatales estaban hipoactivas durante el movimiento, aunque en menor medida que en los ratones R6/2, indicando que la firma cortical central es consistente a través de los modelos de enfermedad de Huntington, según el estudio.

Estos hallazgos destacan a las neuronas inhibitorias corticales como un objetivo terapéutico potencial para la enfermedad de Huntington, según concluyen los autores del estudio publicado en Nature. La enfermedad de Huntington es caracterizada por disfunción motora severa y progresiva, y aunque la base genética de la enfermedad está bien comprendida, la base precisa del circuito neural que lleva a los síntomas motores de la enfermedad de Huntington permanece poco clara, según el contexto proporcionado.

Una de las regiones cerebrales clave asociadas con la sintomatología y progresión de la enfermedad de Huntington es la neocorteza y sus proyecciones al estriado. Los cambios en las conexiones corticoestriatales están entre los eventos más tempranos en la progresión de la enfermedad de Huntington, y la desconexión de las aferencias corticales probablemente tiene un papel importante en la disfunción subsecuente de los circuitos estriatales aguas abajo, según la literatura científica citada en el estudio.

Las neuronas inhibitorias corticales consisten en subtipos distintos con funciones únicas moldeadas por su morfología, conectividad y fisiología. Entre estos subtipos, aquellos que expresan péptido intestinal vasoactivo, somatostatina y parvalbúmina tienen papeles importantes en la regulación de los circuitos corticales, con las neuronas SST principalmente inhibiendo las dendritas de las neuronas excitatorias, las neuronas PV principalmente inhibiendo las regiones perisomáticas neuronales, y las neuronas VIP principalmente inhibiendo a otras neuronas inhibitorias, según explica el estudio.

La regulación precisa de la actividad de estos subtipos funcionalmente diversos es esencial para la función apropiada del circuito cortical y la plasticidad subyacente al comportamiento saludable y el aprendizaje. Sin embargo, el efecto de la enfermedad de Huntington sobre los subtipos distintos de neuronas inhibitorias corticales está poco explorado, y falta evidencia directa de la interacción patogénica entre la inhibición cortical y la disfunción corticoestriatal, según señalan los investigadores.

El control motor preciso es esencial para la supervivencia y el bienestar de un animal. Esta función es servida por redes neuronales complejas e interconectadas en el cerebro que incluyen la neocorteza y el estriado. Varias enfermedades neurodegenerativas afectan el control motor, incluyendo la enfermedad de Huntington, según el contexto científico.

La modulación de la actividad neural en enfermedades tiene un enorme potencial terapéutico pero puede requerir una selección cuidadosa de los parámetros de modulación artificial para lograr niveles fisiológicos de actividad neural, según advierten los investigadores. Los resultados de este estudio proporcionan evidencia de que la intervención dirigida a subtipos neuronales específicos puede normalizar la función de la red cortical y proporcionar mejoras duraderas en los déficits motores en modelos de enfermedad de Huntington.

La persistencia de las mejoras conductuales durante días después de la estimulación sugiere que la activación de las neuronas VIP puede inducir cambios duraderos en la función del circuito cortical, lo que podría tener implicaciones importantes para el desarrollo de terapias para la enfermedad de Huntington, según interpretan los autores. Este hallazgo es particularmente relevante dado que actualmente no existe cura para esta enfermedad devastadora que afecta el control motor de manera severa y progresiva.