Una característica clave del cerebro es la función de adquirir nueva información o “aprender”. El proceso de aprendizaje es crítico para la vida cotidiana y depende de las conexiones nerviosas y de su capacidad de adaptación.
En el cerebro, la información se transmite de una neurona a la siguiente a través de impulsos quimio-eléctricos. Cuando un impulso eléctrico o potencial de acción llega a una neurona, denominada presináptica (Fig. 1A), ésta libera agentes químicos, llamados neurotransmisores, al espacio sináptico. Los neurotransmisores se difunden rápidamente y se unen a receptores específicos ubicados en la membrana de la neurona receptora próxima, denominada postsináptica. Este proceso causa que los canales iónicos de la neurona postsináptica se abran y se propague el potencial de acción si la sinapsis es lo suficientemente robusta.
Algunos de los principales neurotransmisores reguladores del sistema nervioso central son aminoácidos, como el glutamato o la glicina (1). En condiciones normales, el glutamato y la glicina juegan un papel principal en los procesos de aprendizaje y memoria, ya que activan los receptores denominados AMPA y NMDA. Estos receptores son canales iónicos que permiten el paso de ciertos iones cuando son activados por la unión de sus sustratos. Este proceso causa que se propague el potencial de acción y por lo tanto la transmisión de la información. La activación simultánea y continuada de estos receptores provoca el reclutamiento de más receptores en la membrana de la neurona postsináptica. Como resultado, esa sinapsis es más sensitiva y la conexión entre las dos neuronas es más robusta que antes. Esta habilidad de las sinapsis de reforzarse o debilitarse con el tiempo en respuesta a un incremento o reducción de su actividad se conoce como plasticidad sináptica.
Se especula que la plasticidad sináptica es un proceso crítico en la memoria y el aprendizaje y que depende principalmente de los receptores NMDA. El conocimiento limitado que tenemos de la señalización de neurotransmisores en dichos procesos nos impide comprender por completo la plasticidad sináptica y por lo tanto los mecanismos del aprendizaje y la memoria.
En los últimos años se han desarrollado varios sensores ópticos para la visualización de glutamato (2, 3). Estos sensores están formados por un componente que une glutamato y un componente que produce fluorescencia. El mecanismo de acción común consiste en que las proteínas que unen glutamato sufren un cambio en su estructura al unir dicho sustrato. Este cambio estructural implica un cambio en la intensidad de fluorescencia del sensor. Por lo tanto, la presencia de glutamato se puede asociar al cambio de la fluorescencia que es detectado.
Hay tres tipos principales de sensores (Fig. 1B):
– FLIPE está formado por la proteína YbeJ, que une glutamato, y dos proteínas fluorescentes a ambos extremos de YbeJ: CFP (proteína cian fluorescente) y Venus. La unión de glutamato a YbeJ conlleva un cambio estructural que hace que la distancia entre las dos proteínas fluorescentes varíe, lo cual provoca un cambio en la intensidad de la fluorescencia.
– EOS está formado por el dominio S1S2 de un receptor AMPA, que une glutamato, y un compuesto químico fluorescente próximo al sitio de unión de glutamato. La unión del glutamato al dominio S1S2 conlleva un cambio conformacional que produce un cambio en la fluorescencia del compuesto.
– iGluSnFR está formado por la proteína GltI que se une a glutamato; y una proteína verde fluorescente desplegada y que por tanto no emite fluorescencia. Cuando GltI une glutamato, el cambio en su estructura hace que la proteína verde fluorescente se pliegue y que emita fluorescencia.
Los sensores ópticos han permitido cuantificar con éxito la liberación y recuperación de glutamato sináptico en cultivos de neuronas del hipocampo, con una resolución temporal de centésima de segundo (3). Además, iGluSnFR ha permitido determinar la concentración de glutamato y la visualización de sus trayectorias en sistemas neurológicos intactos, incluyendo cultivos neuronales y varios modelos animales.
El uso de sensores ópticos presenta varias ventajas: pueden ser introducidos en cultivos celulares y modelos animales, no son invasivos, se pueden emplear distintas longitudes de onda, y permiten detección sensible.
La activación neuronal implica una cascada de actividades de señalización a partir de las cuales se codifica y transmite información. Aunque en los últimos años se han desarrollado varios sensores ópticos para glutamato, calcio y voltaje, es también necesario desarrollar sensores adicionales para otros neurotransmisores con el fin de poder realizar un estudio más amplio de la actividad cerebral. Además, es necesario el avance en paralelo de la instrumentación óptica, los métodos de adquisición de imágenes y el procesamiento de datos.
REFERENCIAS
- https://web.stanford.edu/group/hopes/cgi-bin/hopes_test/about-glutamate-toxicity/
- Lin MZ, Schnitzer MJ. Genetically encoded indicators of neuronal activity. Nat Neurosci. 2016 Aug 26;19(9):1142-53. doi: 10.1038/nn.4359. Review.
- Chen Z, Truong TM, Ai HW. Illuminating Brain Activities with Fluorescent Protein-Based Biosensors. Chemosensors (Basel). 2017;5(4). pii: 32. doi: 10.3390/chemosensors5040032. Epub 2017 Nov 28.