Controlando el cerebro con ondas de sonido

Científicos del Instituto Salk han desarrollado una nueva manera de activar selectivamente las células del cerebro, corazón, músculo y otras utilizando ondas ultrasónicas.

La nueva técnica, apodada sonogenetica, tiene algunas similitudes con el uso de la luz para activar las células con el fin para entender mejor el cerebro.

Este nuevo método - que utiliza el mismo tipo de ondas utilizadas en sonogramas médicos - puede tener ventajas sobre el enfoque basado en la luz - conocido como opto genética - especialmente cuando se trata de la adaptación de la tecnología a la terapéutica humana. Fue descrito 15 de septiembre 2015 en la revista Nature Communications.

"Las técnicas basadas en luz son importantes para algunos usos y creo que vamos a seguir viendo avances en ese frente", dice Sreekanth Chalasani, profesor asistente en el Laboratorio de Neurobiología Molecular de Salk y autor principal del estudio. "Pero se trata de una nueva herramienta, adicional para manipular las neuronas y otras células en el cuerpo."

En la opto genética, los investigadores añaden proteínas de los canales sensibles a la luz a las neuronas que desean estudiar. Con un láser enfocado en las células, pueden abrir selectivamente estos canales, o bien activar o silenciar las neuronas específicas. Pero el uso de un enfoque opto genético en las células profundas en el cerebro es difícil: por lo general, los investigadores tienen que realizar la cirugía para implantar un cable de fibra óptica que pueda llegar a las células. Además, la luz se dispersa por el cerebro y por otros tejidos en el cuerpo.

Chalasani y su grupo decidieron ver si podían desarrollar un enfoque que se basó en las ondas de ultrasonido para la activación. "En contraste con la luz, el ultrasonido de baja frecuencia puede viajar a través del cuerpo sin ningún tipo de dispersión", dice. "Esto podría ser una gran ventaja cuando se quiere estimular una región profunda del cerebro sin afectar a otras regiones", añade Stuart Ibsen, becario postdoctoral en el laboratorio Chalasani y primer autor del nuevo trabajo.

Chalasani y sus colegas mostraron que primero, en el nematodo Caenorhabditis elegans, las micro burbujas de gas fuera del gusano eran necesarias para amplificar las ondas de ultrasonido de baja intensidad. "Las micro burbujas crecen y se encogen en sintonía con las ondas de presión de ultrasonido", dice Ibsen. "Estas oscilaciones entonces pueden propagarse de forma no invasiva en el gusano."

A continuación, encontraron un canal iónico de membrana, PRT-4, que puede responder a estas ondas.

Cuando las deformaciones mecánicas de la ecografía golpean las burbujas de gas, se propagan en el gusano, que abre los canales PRT-4 y activan la célula.

Armado con este conocimiento, el equipo trató de añadir el canal TRP-4 a las neuronas que normalmente no lo tienen. Con este enfoque, las neuronas que normalmente no reaccionan a los ultrasonidos pueden ser activadas con éxito.

Hasta el momento, sonogenetica sólo se ha aplicado a neuronas del C. elegans. Pero el canal TRP-4 podría añadirse a cualquier tipo de célula sensible al calcio en cualquier organismo incluyendo los seres humanos, dice Chalasani.

Entonces, las micro burbujas pueden ser inyectadas en el torrente sanguíneo, y se distribuyen por todo el cuerpo - un enfoque que ya se utiliza en algunas técnicas de imagen humana.

El Ultrasonido entonces podría alcanzar de forma no invasiva cualquier tejido de interés, incluyendo el cerebro, ser amplificada por el micro burbujas, y activar las células de interés a través del PRT-4. Y muchas células en el cuerpo humano, señala, pueden responder a los flujos de calcio causados ​​por TRP-4.

"El verdadero premio será ver si esto podría funcionar en un cerebro de los mamíferos", dice Chalasani. Su grupo ya ha comenzado a probar el enfoque en ratones. "Cuando hacemos el salto a las terapias para los seres humanos, creo que tenemos una mejor oportunidad con sonogenetica no invasiva que con opto genética."

Ambos enfoques opto genética y sonogenetica, añade, son prometedores en la investigación básica al permitir que los científicos estudian el efecto de la activación de las células. Y también pueden ser útiles en la terapéutica a través de la activación de las células afectadas por la enfermedad. Sin embargo, para que cualquiera de las técnicas se pueda utilizar en  seres humanos, los investigadores primero tienen que desarrollar formas seguras para entregar los canales de luz o de ultrasonido sensibles a las células que les interesen como blanco.

Otros investigadores en el estudio fueron Stuart Ibsen y Ada Tong del Instituto Salk, y Carolyn Schutt y Sadik Esener de la Universidad de California en San Diego.

El trabajo y los investigadores involucrados fueron apoyados por un “Postdoctoral Pioneer Fund Salk Institute Fellowship”, una Subvención a la innovación del Salk Institute, por la Allen Rita Fundación, la MM Fundación Keck y los Institutos Nacionales de Salud.

Historia de Fuente:

El mensaje anterior se reproduce a partir de los materiales proporcionados por el Instituto Salk. 

Nota: Los materiales pueden ser editados en su contenido y duración.

Referencias:

Stuart Ibsen, Ada Tong, Carolyn Schutt, Sadik Esener, Sreekanth H. Chalasani. Sonogenetica es un enfoque no invasivo para la activación de las neuronas en Caenorhabditis elegans. 

Nature Communications, 2015; 6: 8,264 mil DOI: 10,1038 /