Observación del comportamiento de las células cerebrales durante el aprendizaje
Una nueva técnica investiga la actividad de las células nerviosas vivas
Investigadores del Instituto de Fisiología Carl Ludwig de la Universidad de Leipzig, en colaboración con la Universidad Johns Hopkins de Estados Unidos, han logrado un importante avance en la investigación del cerebro. La técnica denominada "zap-and-freeze", que permite visualizar en milisegundos los procesos de transmisión de señales entre células nerviosas, se ha aplicado con éxito por primera vez a cortes cerebrales agudos de ratones y seres humanos. Esto permitirá en el futuro investigar cómo las células nerviosas adaptan su transmisión de señales mientras están activas; en otras palabras, cómo la liberación de neurotransmisores y la plasticidad de los procesos de las células nerviosas, las llamadas sinapsis, cambian durante el aprendizaje. Los resultados se han publicado en la prestigiosa revista científica Neuron.
Mediante la técnica de "zap-and-freeze", las células nerviosas se estimulan eléctricamente y se congelan rápidamente unos milisegundos después. Este método permite capturar los movimientos de los componentes celulares para observarlos al microscopio electrónico. En un estudio publicado recientemente, un equipo internacional de investigadores dirigido por el Instituto Carl Ludwig de Fisiología de la Universidad de Leipzig ha demostrado que esta nueva técnica también funciona en tejido cerebral intacto de ratones y seres humanos.
Los investigadores examinaron inicialmente muestras de cerebro de ratones. Utilizando el método de "zap-and-freeze", estimularon células nerviosas y observaron cómo las pequeñas vesículas (sacos diminutos unidos a la membrana) se reciclan para la comunicación neuronal tras liberar neurotransmisores. En cerebros sanos, las vesículas sinápticas ayudan a transmitir información de una célula a otra, un proceso crucial para el procesamiento de la información, el aprendizaje y la formación de la memoria.
Los investigadores aplicaron el mismo método al tejido cerebral humano y descubrieron que el proceso se produce de la misma manera. En ambos casos, identificaron la proteína Dynamin1xA en los lugares donde se reciclan las vesículas. Esto demuestra que el mecanismo subyacente funciona esencialmente de la misma manera en ratones y humanos. "Como resultado, pudimos observar directamente por primera vez cómo se renueva rápidamente la membrana celular en el cerebro humano tras la liberación de neurotransmisores. Con este método podemos, en cierto sentido, observar las células cerebrales mientras aprenden. Esto confirma la gran importancia de los organismos modelo para la investigación básica en neurociencia", afirma la Dra. Kristina Lippmann, del Instituto de Fisiología Carl Ludwig de la Universidad de Leipzig y autora correspondiente del estudio.
Bases para futuras investigaciones
La experiencia en microscopía de dos fotones y electrofisiología del Instituto Carl Ludwig desempeñó un papel crucial en el estudio. Los investigadores de Leipzig adaptaron el método de "zap-and-freeze" para utilizarlo con cortes de cerebro. Entre otros hallazgos, la Dra. Lippmann y su equipo descubrieron que la técnica es idónea para la estimulación selectiva de fibras nerviosas alineadas con el campo eléctrico, como las fibras paralelas del cerebelo. Los investigadores también demostraron que este método puede inducir plasticidad presináptica a corto plazo, un mecanismo clave subyacente a los procesos de aprendizaje en el cerebro.
En el futuro, la técnica del zap-and-freeze se utilizará para investigar con más detalle los mecanismos de la plasticidad presináptica a corto plazo en la corteza cerebelosa. Esta región desempeña un papel fundamental en el control motor y proporciona información sobre el funcionamiento del cerebro del aprendizaje, desde el desarrollo hasta los cambios patológicos y relacionados con la edad.
El estudio actual se basa en una publicación anterior en Nature Neuroscience, en la que el método de "zap-and-freeze" se probó por primera vez en células nerviosas cultivadas. La colaboración entre la Universidad de Leipzig y la prestigiosa Universidad Johns Hopkins se inició durante una estancia de investigación de la Dra. Kristina Lippmann en Estados Unidos, donde conoció al profesor Shigeki Watanabe, uno de los creadores de la técnica de "zap-and-freeze".
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