Las tecnologías ópticas que se pueden utilizar para modular la actividad neuronal están abriendo interesantes posibilidades para la investigación en neurociencia y biología. Las herramientas ópticas permiten a los neurocientíficos excitar e inhibir neuronas o áreas del cerebro a voluntad. Por tanto, pueden utilizarse para investigar la función de regiones o circuitos cerebrales específicos, así como identificar nuevos tratamientos potenciales para enfermedades neurológicas y psiquiátricas.

La generación de fotointerruptores de azobenceno atados dirigidos a las bicapas de la membrana o conectados a canales iónicos es una técnica óptica pionera que podría ayudar aún más al estudio del cerebro humano. Esta tecnica, sin embargo, particularmente cuando se implementa a altas intensidades de luz, puede provocar un aumento considerable de la temperatura y, por lo tanto, puede ser perjudicial para las neuronas cuando se usa repetidamente.

Para superar esta limitación, investigadores del Instituto Italiano de Tecnología (IIT) en colaboración con Politecnico di Milano, han creado recientemente un nuevo compuesto azobenceno sensible a la luz, apodado Ziapin2, que se puede utilizar para construir interruptores fotográficos que no aumentan de temperatura cuando se irradian con luz visible. Este nuevo compuesto, introducido en un artículo publicado en Nanotecnología de la naturaleza , particiones en la membrana plasmática con una alta estabilidad, permitiendo su adelgazamiento y una mayor capacitancia en un estado estable.

"Nuestro estudio fue inspirado (o bioinspirado) por dos observaciones, "Guglielmo Lanzani, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo a TechXplore. "La primera es que, en general, la naturaleza captura la luz en las células vivas utilizando moléculas fotocrómicas (por ejemplo, fotorreceptores retinianos en la retina). La segunda es que la perturbación de la membrana neuronal y, en particular, un cambio en la capacitancia eléctrica (la capacidad de almacenar cargas) conduce a excitación celular, como se observa al calentar la celda ".

Moléculas fotocromáticas, como el compuesto azobenceno diseñado por Chiara Bertarelli, Guglielmo Lanzani y Fabio Benfenati, pueden cambiar de forma después de absorber la luz. Este cambio también afecta algunas de sus propiedades, incluyendo su impedimento estérico (es decir, el volumen que ocupan), color y propiedades eléctricas.

Cuando se aplica a una membrana, esta característica permite que las moléculas fotocrómicas actúen como interruptores mecánicos o resortes, modulando el espesor de la membrana al absorber luz y cambiando así su capacitancia eléctrica. Esto a su vez posibilita una serie de fenómenos, conduciendo finalmente a un potencial de acción en las neuronas.

"Los métodos utilizados en nuestro estudio nos permitieron obtener un mecanismo de estimulación no térmica para inducir la sensibilidad a la luz en células y tejidos vivos, ", Explicó Lanzani." Nuestro enfoque también es no genético (evita la terapia génica) y no covalente (evita las modificaciones químicas permanentes de la célula). En otras palabras, es una herramienta mínimamente invasiva ".

Cuando aplicaron pulsos de luz visible de milisegundos a neuronas cargadas con el compuesto que crearon, Benfenati, Lanzani y sus colegas observaron una hiperpolarización transitoria resultante, poco seguido por una despolarización retardada que finalmente desencadenó el disparo de potenciales de acción. Se encontró que estos efectos eran persistentes y los investigadores pudieron provocarlos in vivo durante hasta 7 días seguidos.

“El principal logro de nuestro estudio es que pudimos estimular neuronas sin manipulaciones optogenéticas y sin interferir directamente con los canales iónicos de la membrana, Benfenati dijo a TechXplore. "Hicimos esto simplemente provocando una deformación transitoria de la membrana que hace que las neuronas sean eléctricamente más estables en la oscuridad y se libera bajo estimulación de la luz". evocando el potencial de acción de disparo ".

Ziapin2, el compuesto introducido por Lanzani, Benfenati, Bertarelli y sus colegas, permite la modulación de la capacitancia eléctrica de la membrana en una escala de tiempo de milisegundos, sin provocar cambios de temperatura. En el futuro, Podría usarse para desarrollar interruptores fotográficos para la investigación de la neurociencia que sean menos dañinos para las neuronas.

"Nuestros planes para futuras investigaciones son dobles, "Benfenati dijo." Por un lado, planeamos impulsar la aplicación de Ziapin para excitar los circuitos de la retina en modelos experimentales de degeneración de la retina o desafiar los circuitos cerebrales enfermos. Por otro lado, buscamos variantes de Ziapin que sean más solubles en agua (y, por lo tanto, puedan administrarse de manera más segura) y que permanezcan en la membrana durante más tiempo ".

© 2020 Science X Network