Cuando la luz es el interruptor: fotodiodos nanométricos para estudiar la actividad de las neuronas

En un enfoque novedoso, un nuevo estudio en SISSA utiliza tecnología que puede activar células nerviosas individuales con un impulso de luz. Este enfoque específico y no invasivo se puede utilizar para estudios fundamentales del sistema nervioso, así como para el desarrollo de terapias innovadoras para enfermedades neurológicas.

Una sacudida de luz para modular la actividad de una sola neurona en tiempo real: así funcionan los innovadores fotodiodos nanométricos, objeto de una nueva investigación publicada en Avances de la ciencia. La técnica fue desarrollada por el equipo de la profesora Laura Ballerini en SISSA en Trieste, en colaboración con las universidades de Chicago y Cambridge.

Cuando se activan con un rayo infrarrojo, los fotodiodos de escala nanométrica envían un mensaje eléctrico a la célula nerviosa a la que están unidos, regulando su función. El efecto de la estimulación puede entonces extenderse y amplificarse a la red circundante de neuronas en virtud de sus contactos sinápticos. Al funcionar como un electrodo real, pero con un enfoque selectivo y no invasivo, estas nanotecnologías podrían ser extremadamente útiles para la investigación básica, para investigar en profundidad los mecanismos del sistema nervioso, pero también para desarrollar terapias dirigidas a enfermedades neurológicas.

Fotodiodos nanométricos: así es como funcionan

“Para investigar el funcionamiento del sistema nervioso, ahora hay un gran interés en tecnologías que deben ser muy precisas y no agresivas. Nuestra estrategia va precisamente en esa dirección. A diferencia de lo explorado hasta ahora, donde los electrodos metálicos o la combinación optogenética de manipulación genética y técnicas ópticas, buscamos un enfoque nuevo, más específico y menos invasivo», dicen la profesora Ballerini y sus colaboradores, Denis Scaini y Mario Fontanini.

En el estudio, el grupo de investigación de SISSA utilizó fotodiodos nanométricos innovadores, desarrollados por la Universidad de Chicago, que son capaces de unirse a la membrana superficial de las células nerviosas. “Los fotodiodos se iluminan cuando se iluminan con luz infrarroja”, explican los científicos. “De esta manera, pueden actuar eléctricamente sobre la célula nerviosa, activándola. Esto es extremadamente útil para fines de investigación porque nos permite ver qué papel juega una neurona específica en un proceso determinado y, dado que el infrarrojo es capaz de penetrar en el tejido, modular su actividad desde el exterior de forma ágil y no agresiva.”

Pero, ¿cómo llevas el fotodiodo a la neurona que deseas estudiar? Gracias a un ingenioso mecanismo desarrollado en colaboración con el grupo de Ljiljana Fruk de la Universidad de Cambridge: “El fotodiodo se une a un anticuerpo que funciona como un mensajero llevándolo y enganchándolo exactamente donde queremos. Esto se debe a que el anticuerpo reconoce con gran especificidad un estructura que sabemos que está en la superficie de la neurona objetivo».

Nueva tecnología con un gran potencial

Trabajando en el laboratorio en secciones de explantes de la médula espinal, el personal de SISSA se centró en el estudio de las neuronas sensoriales involucradas en las vías del dolor: «Nos dimos cuenta de que nuestro método es capaz de estimular selectivamente células individuales, lo que nos permite activar neuronas individuales con sentido opuesto». papeles funcionales, por ejemplo, excitatorios o inhibitorios», explican los investigadores. “Al activar una neurona excitadora en el asta dorsal espinal con el fotodiodo, presenciamos una amplificación de la señal de dolor. Viceversa, al actuar sobre una neurona inhibitoria se obtuvo el efecto contrario: se apagó la amplificación de la señal de dolor. »

Curiosamente, la investigación también muestra que actuar sobre una sola neurona puede tener un efecto mucho más amplio, afectando la actividad de un área completa. “Esto es exactamente lo que comprobamos: al estimular una neurona diana podemos modular la respuesta de todo el circuito, y esto es muy interesante por varias razones”, dicen los investigadores.

“Gracias a su funcionalidad y eficiencia, esta técnica, que hasta ahora solo se ha desarrollado in vitro, podría permitirnos definir circuitos neurosensoriales de una manera muy sofisticada, obteniendo información muy detallada sobre el papel que desempeñan las células nerviosas individuales en diferentes mecanismos. Este conocimiento profundo permitiría, en consecuencia, diseñar abordajes terapéuticos cada vez más específicos a nivel medular”, concluye Laura Ballerini.