El cervell presenta diferents estats depenent de la comunicació entre milers de milions de neurones, i aquesta xarxa és la base de totes les nostres percepcions, memòries i comportaments. Sovint es considera una “caixa negra”, amb un accés difícil per als metges i investigadors, ja que hi ha poques i limitades eines disponibles per realitzar estudis precisos i espacio-temporals sobre el comportament neuronal cerebral. Ara, investigadors de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) en col·laboració amb l’Institut d’Investigació Biomèdica August Pi i Sunyer (IDIBAPS) i han afegit una mica de llum al tema: els científics han controlat, per primera vegada, l’activitat neuronal en el cervell utilitzant una molècula sensible a la llum.
L’estudi, que va incloure investigadors de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), es va dur a terme en el marc del projecte Human Brain de la UE i descriu la primera manera de fotomodular directament les transicions de l’estat cerebral in vivo.
El treball, liderat pels Professors de Recerca ICREA Pau Gorostiza (IBEC-CERCA, BIST, CIBER-BBN) i Mavi Sanchez-Vives (IDIBAPS) ha estat publicat recentment en la revista Advanced Science. Els resultats mostren que aquesta nova molècula colinèrgica, denominada PAI (de Phthalimide-Azo-Iper) pot controlar especifica i localment els receptors muscarinics colinèrgics, és a dir, els receptors d’acetilcolina, un neurotransmissor cerebral rellevant en nombrosos processos com l’aprenentatge, l’atenció o la memòria.
Control de transicions d’estats cerebrals amb llum
Les transicions entre estats cerebrals, com pot ser passar d’estar adormit a despert, o despertar d’un estat de coma, es basen en la transmissió de senyals químics i elèctrics entre grups de neurones involucrades en diferents funcions. Les tècniques actuals per a modular l’activitat neuronal, com l’estimulació magnètica transcraneal o per ultrasons, tenen una baixa precisió espaciotemporal i un baix espectre d’acció. Una tècnica d’alta precisió que també utilitza la llum per a controlar les neurones és l’optogenética, però depèn de la manipulació genètica, dificultant la seva utilització en éssers humans per raons de seguretat.
Ara, els investigadors han aplicat fotofarmacología per a abordar aquests problemes. Van usar una nova molècula prèviament desenvolupada a l’IBEC, PAI, que respon a la llum i permet una modulació espaciotemporal controlada de les neurones cerebrals, unint-se i controlant l’activitat dels receptors colinèrgics muscarínics, clau en la interacció i comunicació neuronal. Mitjançant l’ús d’aquest enfocament, les transicions d’estats cerebrals dependents d’innervació colinèrgica es podríen controlar mitjançant llum utilitzant fàrmacs quimicament disenyats per ser fotosensibles.
“El control de l’activitat neuronal en el cervell és clau per realitzar recerca tant bàsica com aplicada, i per a desenvolupar tècniques segures i precises per a dur a terme intervencions cerebrals terapèutiques en neurologia clínica”
Dr. Fabio Riefolo (IBEC), co-primer autor de l’estudi.
Canvis en els estats cerebrals
Els diferents estats cerebrals i les transicions entre ells estan associats amb la funció cerebral. Estan estretament vinculats a canvis en els patrons d’activació cerebral, que a la vegada reflecteixen l’activitat i els paràmetres de xarxes neuronals específiques. Així, la manipulació de les neurones amb precisió espaciotemporal és fonamental per a determinar la relació entre els estats cerebrals i el comportament i per a estudiar la influència dels circuits neuronals en comportaments específics. A més, la PAI és farmacològicament específica per a un subtipus de receptor muscarínico, el M2, la qual cosa ofereix interessants perspectives per a estudiar la farmacologia de les ones cerebrals.
En il·luminar amb llum blanca el cervell intacte i tractat prèviament amb PAI, els investigadors van poder modular les oscil·lacions lentes espontànies en els circuits neuronals i manipular reversiblement la freqüència d’oscil·lació del cervell. Aquesta nova eina d’enginyeria química ha permès induir i investigar detalladament, de manera controlada i no invasiva, les transicions cerebrals del somni cap a l’estat de vigília utilitzant il·luminació directa.
En el nostre cervell, l’activitat electroquímica de les neurones és impulsada per molècules conegudes com a neuromoduladors, com per exemple l’acetilcolina (ACh), a través de la seva unió a receptors colinèrgics. No obstant això, no se sap exactament quina és la contribució de les diferents cèl·lules que expressen els receptors ACh en el comportament cerebral global. L’ús de fàrmacs colinèrgics selectius i fotomodulables com PAI per a aconseguir una modulació molt precisa de l’activitat cerebral, obre el camí per a la realització de recerques neurocientífiques bàsiques de manera precisa i per a desenvolupar estimulacions cerebrals i futures teràpies.
“El fotocontrol dels receptors endògens i les seves funcions en el sistema nerviós central, com la transició entre diferents estats cerebrals, és un gran assoliment de les tecnologies de neuromodulación”.
Dra. Almudena Barbero-Castillo (IDIBAPS), co-primera autora de l’estudi.
Article de referència:
Almudena Barbero-Castillo, Fabio Riefolo, Carlo Matera, Sara Caldas-Martínez, Pedro Mateos-Aparicio, Julia F. Weinert, Aida Garrido-Charles, Enrique Claro, Maria V. Sanchez-Vives, Pau Gorostiza. Control of Brain State Transitions with a Photoswitchable Muscarinic Agonist. (2021). Advanced Science. May 21; e2005027
Dr. F. Riefolo, Dr. C. Matera, Dr. A. Garrido-Charles, Prof. P. Gorostiza són membres del “Centro de Redes de Investigación Biomédica en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN)”.
Sobre l’IBEC:
L’Institut per a la Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) és un centre CERCA, reconegut dues vegades com a Centre d’Excel·lència Severo Ochoa, i amb el segell TECNIO, com a desenvolupador de tecnologia i facilitador a les empreses. L’IBEC és membre de l’Institut de Ciència i Tecnologia de Barcelona (BIST) i realitza una recerca multidisciplinària d’excel·lència a la frontera entre l’enginyeria i les ciències de la vida per a generar coneixement, integrant camps com la nanomedicina, la biofísica, la biotecnologia, l’enginyeria de teixits i les aplicacions de les tecnologies de la informació en el camp de la salut. L’IBEC va ser creat en 2005 per la Generalitat de Catalunya, la Universitat de Barcelona (UB) i la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).
Sobre l’ IDIBAPS:
L’Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi Sunyer (IDIBAPS) és un centre CERCA per a la recerca bàsica, translacional i clínica. Fundat el 1996, és un consorci format per l’Hospital Clínic de Barcelona, la Universitat de Barcelona, la Generalitat de Catalunya i el Consell Superior d’Investigació Científica, en una recerca contínua del coneixement de la malaltia i el seu tractament. Una de les àrees d’investigació de l’IDIBAPS és Neurociències Clínices i Experimentals, de la que forma part el grup de Neurociències de Sistemes, participant en aquest l’estudi.
