Recerca

Aconsegueixen controlar les oscil·lacions cerebrals amb llum

Un estudi liderat per investigadors de l'IBEC i de l'IDIBAPS aconsegueix, per primera vegada, controlar les transicions d'estats cerebrals utilitzant una molècula sensible a la llum, denominada PAI.

Almudena Barbero-Castillo, co-primera autora de l'estudi, al laboratori de l'IDIBAPS

El cervell presenta diferents estats en funció de la comunicació entre milers de milions de neurones, i totes les nostres percepcions, records i comportaments es basen en aquesta xarxa. Sovint es considera una "caixa negra" de difícil accés per a metges i investigadors, ja que hi ha poques i limitades eines per dur a terme estudis precisos en espai i temps sobre el comportament neuronal en el cervell.

Ara, investigadors de l'Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) en col·laboració amb l'Institut d'Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), han aportat llum al tema: han aconseguit per primer cop controlar l'activitat neuronal en el cervell utilitzant una molècula que respon a la llum.

L'estudi va incloure participants de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i es va dur a terme en el marc del Projecte "Human Brain" de la UE. Descriu la primera manera de fotomodular directament les transicions de l'estat del cervell en teixit intacte.

El treball, liderat pels professors d'investigació ICREA Pau Gorostiza (IBEC, BIST, CIBER-BBN) i Mavi Sanchez-Vives, responsable del grup de recerca de l'IDIBAPS Neurociència de sistemes, ha estat publicat recentment a la revista Advanced Science.

Els resultats mostren que aquesta nova molècula colinèrgica, anomenada PAI (de Phthalimide-Azo-Iper) pot controlar específica i localment els receptors muscarínics colinèrgics, és a dir, els receptors d'acetilcolina, un neurotransmissor cerebral rellevant en nombrosos processos com l'aprenentatge, l'atenció o la memòria.

Control de transicions d'estats cerebrals amb llum

Les transicions entre estats cerebrals, com pot ser passar d'estar adormit a despert, o despertar d'un estat de coma, es basen en la transmissió de senyals químics i elèctrics entre grups de neurones involucrades en diferents funcions. Les tècniques actuals per modular l'activitat neuronal, com l'estimulació magnètica transcranial o per ultrasons, tenen una baixa precisió espai-temporal i un baix espectre d'acció. Una tècnica d'alta precisió que també utilitza la llum per controlar les neurones és l'optogenètica, però depèn de la manipulació genètica, dificultant la seva utilització en éssers humans per raons de seguretat.

Ara, els investigadors han aplicat fotofarmacologia per abordar aquests problemes. Per a això, van usar una nova molècula prèviament desenvolupada a l'IBEC, PAI, que respon a la llum i permet una modulació espai-temporal controlada de les neurones cerebrals, unint-se i controlant l'activitat dels receptors colinèrgics muscarínics, clau en la interacció i comunicació neuronal . Mitjançant l'ús d'aquest enfocament, les transicions d'estats cerebrals dependents d'innervació colinèrgica poden controlar-se mitjançant llum emprant fàrmacs el disseny químic dels quals els fa fotosensibles.

Canvis en els estats cerebrals

Els diferents estats cerebrals i les transicions entre ells estan associats amb la funció cerebral. Estan estretament vinculats a canvis en els patrons d'activació cerebral, que al seu torn reflecteixen l'activitat i els paràmetres de xarxes neuronals específiques. Així, la manipulació de les neurones amb precisió espai-temporal és fonamental per a determinar la relació entre els estats cerebrals i el comportament i per estudiar la influència dels circuits neuronals en comportaments específics. A més, el PAI és farmacològicament específic per a un subtipus de receptor muscarínic, el M2, la qual cosa ofereix interessants perspectives per estudiar la farmacologia de les ones cerebrals.

En il·luminar amb llum blanca el cervell de ratolins anestesiats i tractats prèviament amb PAI, els investigadors van poder modular les oscil·lacions lentes espontànies en els circuits neuronals i manipular reversiblement la freqüència d'oscil·lació del cervell. Aquesta nova eina de bioenginyeria ha permès induir i investigar en detall, de manera controlada i no invasiva, les transicions cerebrals de la son cap a l'estat de vigília utilitzant il·luminació directa.

En el nostre cervell, l'activitat electroquímica de les neurones és impulsada per molècules conegudes com a neuromoduladors, com ara l'acetilcolina (ACh), a través de la seva unió a receptors colinèrgics. No obstant això, no se sap exactament quina és la contribució de les diferents cèl·lules que expressen els receptors ACh en el comportament cerebral global. L'ús de fàrmacs colinèrgics selectius i fotomodulables com PAI per aconseguir una modulació molt precisa de l'activitat cerebral, obre el camí per a la realització d'investigacions neurocientífiques bàsiques de forma precisa i per desenvolupar estimulacions cerebrals i futures teràpies.

Referència de l'article:

Almudena Barbero-Castillo, Fabio Riefolo, Carlo Matera, Sara Caldas-Martínez, Pedro Mateos-Aparicio, Julia F. Weinert, Aida Garrido-Charles, Enrique Claro, Maria V. Sanchez-Vives, Pau Gorostiza. Control of Brain State Transitions with a Photoswitchable Muscarinic Agonist. (2021)Advanced Science. May 21; e2005027

Dr. F. Riefolo, Dr. C. Matera, Dr. A. Garrido-Charles, Prof. P. Gorostiza son miembros del Centro de Redes de Investigación Biomédica en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN).