Las neuronas son células del cerebro que se comunican entre sí enviando señales electroquímicas a lo largo de los axones. Cuando una neurona está a punto de emitir una señal en forma de carga eléctrica, permite que los iones pasen a través de su membrana a través de canales iónicos. Esta transferencia de iones crea una diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior de la celda, y esa diferencia se conoce como potencial de membrana.

Un equipo de investigadores del Laboratorio de Biofotónica fundamental (LBP) dentro de la Escuela de Ingeniería (STI) de EPFL ha ideado una forma de monitorear los cambios en el potencial de membrana y observar los flujos de iones mediante el estudio del comportamiento de las moléculas de agua que rodean las membranas de las neuronas. Los investigadores, que probaron con éxito su método en neuronas de ratón in vitro, acaban de publicar sus hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza .

No más electrodos ni fluoróforos

Una mejor comprensión de la actividad eléctrica de las neuronas podría proporcionar información sobre una serie de procesos que tienen lugar en nuestro cerebro. Por ejemplo, los científicos podrían ver si una neurona está activa o en reposo, o si responde al tratamiento farmacológico. Hasta ahora, la única forma de monitorear las neuronas era inyectando fluoróforos en, o colocando electrodos en, la parte del cerebro que se está estudiando, pero los fluoróforos pueden ser tóxicos, y los electrodos pueden dañar las neuronas.

Recientemente, Los investigadores de LBP desarrollaron una forma de rastrear la actividad eléctrica en las neuronas simplemente observando las interacciones entre las moléculas de agua y las membranas neurales. "Las neuronas están rodeadas de moléculas de agua, que cambian de orientación en presencia de una carga eléctrica, "dice Sylvie Roke, director de la LBP. "Cuando cambia el potencial de membrana, las moléculas de agua se reorientarán, y podemos observar eso ".

En su estudio, los investigadores alteraron el potencial de la membrana neuronal sometiendo a las neuronas a una rápida afluencia de iones de potasio. Esto provocó que los canales iónicos de la superficie de las neuronas, que sirven para regular el potencial de membrana, se abrieran y dejaran pasar los iones. Luego, los investigadores apagaron el flujo de iones, y las neuronas liberaron los iones que habían recogido.

Para monitorear esta actividad, los investigadores probaron las membranas lipídicas neuronales hidratadas iluminando las células con dos rayos láser de la misma frecuencia. Estos haces consisten en pulsos láser de femtosegundos -utilizando tecnología por la que se otorgó el premio Nobel de Física 2018- para que las moléculas de agua en la interfaz de la membrana generen fotones con una frecuencia diferente. conocido como luz de segundo armónico.

"Vemos implicaciones tanto fundamentales como aplicadas de nuestra investigación. No solo puede ayudarnos a comprender los mecanismos que utiliza el cerebro para enviar información, pero también podría resultar atractivo para las empresas farmacéuticas interesadas en realizar pruebas de productos in vitro, "agrega Roke." Y ahora hemos demostrado que podemos analizar una sola neurona o cualquier número de neuronas a la vez ".