“La neurociencia ha recorrido un largo camino desde la tinción y la identificación de la neurona por Camillo Golgi y Ramón y Cajal hace un siglo. Ahora el campo ha unido fuerzas con otras disciplinas como la química, la informática, la ingeniería y la psicología, la creación de áreas de interés que van desde las células individuales a comunidades sociales. La combinación de especialidades ha ayudado a avanzar la comprensión del comportamiento social, así como diversos trastornos psicológicos, que algunos dicen que son las últimas fronteras en la ciencia biológica.”
-Jacqueline Ruttimann Oberst
-Jacqueline Ruttimann Oberst
Al preguntar a los neurocientíficos que definan el área en que están trabajando, muy seguramente obtendremos una respuesta diferente cada vez que le preguntemos a un neurocientífico. Ya no encaja en un nicho, el campo puede penetrar en el microcosmos de las moléculas y células, sino también ampliarse hasta el macrocosmos de la misma humanidad.
"La complejidad de las cuestiones que estamos abordando ahora están a un nivel completamente diferente a lo que hicimos hace 15 años", dice Nora Volkow, directora del Instituto Nacional de EE.UU. sobre el Abuso de Drogas del Institutos Nacionales de Salud (NIH). "En el pasado, lo que solía ser un receptor para un área del cerebro. Ahora tenemos las herramientas para monitorear el sistema completo en cualquier punto dado en el tiempo, es decir, todo el cerebro y cómo cambia en intervalos de corto y largo plazo. Ahora podemos empezar a estudiar todas las proteínas en la célula y sus interacciones, cómo se comunican las células entre sí para crear redes, y cómo estos se relacionan con las conductas."
En los últimos 10-20 años, tres áreas han llegado a la escena: la transdiferenciación, optogenética, y la neurociencia social. De lo liliputiense a la gran escala, estos subcampos ayudan en la consolidación las distintas áreas que componen el cerebro.
"La complejidad de las cuestiones que estamos abordando ahora están a un nivel completamente diferente a lo que hicimos hace 15 años", dice Nora Volkow, directora del Instituto Nacional de EE.UU. sobre el Abuso de Drogas del Institutos Nacionales de Salud (NIH). "En el pasado, lo que solía ser un receptor para un área del cerebro. Ahora tenemos las herramientas para monitorear el sistema completo en cualquier punto dado en el tiempo, es decir, todo el cerebro y cómo cambia en intervalos de corto y largo plazo. Ahora podemos empezar a estudiar todas las proteínas en la célula y sus interacciones, cómo se comunican las células entre sí para crear redes, y cómo estos se relacionan con las conductas."
En los últimos 10-20 años, tres áreas han llegado a la escena: la transdiferenciación, optogenética, y la neurociencia social. De lo liliputiense a la gran escala, estos subcampos ayudan en la consolidación las distintas áreas que componen el cerebro.
El destino celular: Transdiferenciación
Células madre y medicina regenerativa han trabajado su camino en el campo de la neurociencia en la forma de transdiferenciación. En este proceso, ya sea una celula madre específica de tejido o células precursoras de células genere algo que normalmente no estaba destinada a producir. Transdiferenciación ocurre en la naturaleza, aunque en raras ocasiones. Por ejemplo, cuando el lente del ojo se extrae de las salamandras, las células del iris forman las células del lente que fue retirado.
Hace cincuenta años, la conversión del destino de las células consistía en una técnica de clonación llamado transferencia nuclear de células somáticas, lo que permite que el ADN de células somáticas se inserte en un óvulo enucleado. La tecnología ha dado lugar a animales como la oveja Dolly, pero no ha estado a la altura de la clonación de primates no humanos. En 2005, el campo se convirtió en cuadros cuando un equipo de investigación de Corea del Sur, dirigido por Woo Suk Hwang, afirmó haber derivado células madre embrionarias humanas que utilizan esta tecnología, sólo para admitir posteriormente que inventaron los datos.
Sin embargo, el campo fue redimido un año más tarde cuando el grupo de Shinya Yamanaka de la Universidad de Kyoto en Japón utilizaron cuatro células madre embrionarias genes-Oct3 / 4, Sox2, c-Myc y Klf4-para convertir un ratón y fibroblastos de piel humana en células madre embrionarias-como las células llamadas células madre pluripotentes inducidas (iPS) a las células. Desde entonces, otros investigadores han usado genes diferentes o mezclas químicas para convertir los fibroblastos en células iPS.
"Uno usa tipo de recetas como en "The Joy of Cooking", explica Story Landis, directora del Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidente Cerebrovascular de los NIH. de EE.UU. "Ahora usted no tiene que comenzar en una célula madre embrionaria o inducir a una célula madre pluripotente. En su lugar, usted puede tomar un fibroblasto y tratarlo de una manera especial para directamente convertirlo en diversos tipos de células. "
Células madre y medicina regenerativa han trabajado su camino en el campo de la neurociencia en la forma de transdiferenciación. En este proceso, ya sea una celula madre específica de tejido o células precursoras de células genere algo que normalmente no estaba destinada a producir. Transdiferenciación ocurre en la naturaleza, aunque en raras ocasiones. Por ejemplo, cuando el lente del ojo se extrae de las salamandras, las células del iris forman las células del lente que fue retirado.
Hace cincuenta años, la conversión del destino de las células consistía en una técnica de clonación llamado transferencia nuclear de células somáticas, lo que permite que el ADN de células somáticas se inserte en un óvulo enucleado. La tecnología ha dado lugar a animales como la oveja Dolly, pero no ha estado a la altura de la clonación de primates no humanos. En 2005, el campo se convirtió en cuadros cuando un equipo de investigación de Corea del Sur, dirigido por Woo Suk Hwang, afirmó haber derivado células madre embrionarias humanas que utilizan esta tecnología, sólo para admitir posteriormente que inventaron los datos.
Sin embargo, el campo fue redimido un año más tarde cuando el grupo de Shinya Yamanaka de la Universidad de Kyoto en Japón utilizaron cuatro células madre embrionarias genes-Oct3 / 4, Sox2, c-Myc y Klf4-para convertir un ratón y fibroblastos de piel humana en células madre embrionarias-como las células llamadas células madre pluripotentes inducidas (iPS) a las células. Desde entonces, otros investigadores han usado genes diferentes o mezclas químicas para convertir los fibroblastos en células iPS.
"Uno usa tipo de recetas como en "The Joy of Cooking", explica Story Landis, directora del Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidente Cerebrovascular de los NIH. de EE.UU. "Ahora usted no tiene que comenzar en una célula madre embrionaria o inducir a una célula madre pluripotente. En su lugar, usted puede tomar un fibroblasto y tratarlo de una manera especial para directamente convertirlo en diversos tipos de células. "
La técnica tiene varias aplicaciones en la neurociencia.
"Transdiferenciación da una oportunidad sin precedentes para estudiar enfermedades neurológicas como el autismo, la esquizofrenia, la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson", explica Sheng Ding, investigador principal del Instituto Gladstone de Enfermedades Cardiovasculares de la Universidad de California en San Francisco. "Esperamos que reprogramar las células somáticas sea fácilmente accesibles a partir de un paciente con una de estas enfermedades neurológicas en las células de iPS o directamente en las neuronas con el modelo de la enfermedad y desarrollar tratamientos personalizados."
Investigadores postdoctorales y estudiantes de postgrado interesados en el campo deben entrar ahora, de acuerdo con Ding. Se propone que los nuevos tratamientos desarrollados a través de la tecnología de células iPS estarán disponibles en 10 años.
Arrojando luz: optogenética
El cerebro se compone de aproximadamente 100 mil millones de neuronas-aproximadamente el mismo número de estrellas en una galaxia. Cada neurona puede tener entre 1,000 y 10,000 sinapsis. Dependiendo del tipo de información que una neurona está enviando, la velocidad de señalización puede variar de 0,6 m / s (en el caso de la transmisión del dolor) a más de 120 m / s (en el caso de la estimulación muscular). Por lo tanto la masa neuronal y la velocidad con que se llevara acabo el estudio de las funciones cerebrales es de enormes proporciones.
Los científicos han utilizado una variedad de técnicas para dilucidar la función neuronal, pero cada una tiene sus propios defectos. Técnicas electrofisiológicas que físicamente profundizan electrodos en el tejido cerebral se ven limitados por la profundidad con que las sondas se pueden colocar y tienen una capacidad limitada para distinguir ciertos tipos de células, entre la miríada de células intercaladas en el cerebro. Manipulaciones farmacológicas o genéticas pueden ayudar a identificar las señales de distintos tipos celulares específicos, sin embargo, los resultados suelen ser lentos para entrar en vigor, a partir de horas, días o meses.
Introducir optogenética o "la fusión de la óptica y la genética para permitir el control de eventos muy bien definidos dentro de una célula en particular", explica Karl Deisseroth, profesor asociado de psiquiatría y la bioingeniería en la Universidad de Stanford, quien acuñó el término.
"Transdiferenciación da una oportunidad sin precedentes para estudiar enfermedades neurológicas como el autismo, la esquizofrenia, la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson", explica Sheng Ding, investigador principal del Instituto Gladstone de Enfermedades Cardiovasculares de la Universidad de California en San Francisco. "Esperamos que reprogramar las células somáticas sea fácilmente accesibles a partir de un paciente con una de estas enfermedades neurológicas en las células de iPS o directamente en las neuronas con el modelo de la enfermedad y desarrollar tratamientos personalizados."
Investigadores postdoctorales y estudiantes de postgrado interesados en el campo deben entrar ahora, de acuerdo con Ding. Se propone que los nuevos tratamientos desarrollados a través de la tecnología de células iPS estarán disponibles en 10 años.
Arrojando luz: optogenética
El cerebro se compone de aproximadamente 100 mil millones de neuronas-aproximadamente el mismo número de estrellas en una galaxia. Cada neurona puede tener entre 1,000 y 10,000 sinapsis. Dependiendo del tipo de información que una neurona está enviando, la velocidad de señalización puede variar de 0,6 m / s (en el caso de la transmisión del dolor) a más de 120 m / s (en el caso de la estimulación muscular). Por lo tanto la masa neuronal y la velocidad con que se llevara acabo el estudio de las funciones cerebrales es de enormes proporciones.
Los científicos han utilizado una variedad de técnicas para dilucidar la función neuronal, pero cada una tiene sus propios defectos. Técnicas electrofisiológicas que físicamente profundizan electrodos en el tejido cerebral se ven limitados por la profundidad con que las sondas se pueden colocar y tienen una capacidad limitada para distinguir ciertos tipos de células, entre la miríada de células intercaladas en el cerebro. Manipulaciones farmacológicas o genéticas pueden ayudar a identificar las señales de distintos tipos celulares específicos, sin embargo, los resultados suelen ser lentos para entrar en vigor, a partir de horas, días o meses.
Introducir optogenética o "la fusión de la óptica y la genética para permitir el control de eventos muy bien definidos dentro de una célula en particular", explica Karl Deisseroth, profesor asociado de psiquiatría y la bioingeniería en la Universidad de Stanford, quien acuñó el término.
Gero Miesenböck, profesor de fisiología en la Universidad de Oxford describe la técnica como el uso de "dos tipos de luz que responden a las proteínas: Sensores que se iluminan cuando una neurona se activa y actuadores que absorben la luz y se enciende con respecto a la actividad dentro o fuera"
Considerados "Método del Año" por Nature Methods en 2010 y puso de relieve en el "Perspectivas de la Década" sección especial por la ciencia en ese mismo año, la optogenética es un recién llegado en el ámbito de la neurociencia, emergiendo hace menos de 10 años.
No obstante este campo, toma prestado de las observaciones y los descubrimientos realizados hace 30-40 años. En 1979, Francis Crick ha señalado la dificultad de utilizar electrodos para identificar las neuronas específicas del cerebro y luego especuló que la luz podría ser capaz de afinar en un tipo de célula y dejar a otros sin alteraciones. Sin embargo, como neurocientífico no sabía cómo hacer a las neuronas sensibles a la luz. Con los años, los biólogos descubrieron muchos tipos diferentes de proteínas que responden a la luz, o opsinas. Entre ellos, los canales iónicos que se abren cuando una sustancia química co-factor, todo-trans-retinal, absorbe los fotones.
Sin embargo, los genes que codifican estas opsinas no fueron identificados hasta el año 2003, y los neurobiólogos se centraron más bien en la célula dirigida por las herramientas que utiliza una combinación de productos químicos y genes para alterar la función neuronal. Hasta el año 2005, cuando el grupo de Deisseroth descubierto que estas opsinas microbianas precisamente podía controlar las neuronas en respuesta a la luz y, en 2006, mostraron que los tejidos vertebrales, incluso para adultos, incluyendo el cerebro, expresa de manera natural todo-trans-retinal.
Antes de estos estudios, el laboratorio de Miesenböck había desarrollado otras estrategias para el control de optogenetico de las células nerviosas al volver a montar moscas de la fruta (Drosophila) la opsina con vías de señalización en las neuronas o la combinación de luz activados por los productos químicos con los genes introducidos. En 2005, "control remoto" el comportamiento de las moscas con la luz. Su grupo también desarrolló un medio para visualizar la actividad genética de las células nerviosas mediante la creación de synapto-pHluorin, una forma sensible al pH de la proteína verde fluorescente.
Grupo de Deisseroth posteriormente demostró el uso de opsinas microbianas para el control neuronal de los mamíferos que se mueven libremente. Se describen las interfaces de fibra óptica que pueden ser implantados en el cerebro para proporcionar la luz necesaria para activar estos canales y de las neuronas que son un objetivo específico en los recovecos del cerebro. Ahora, la optogenética es ubicua a la neurociencia, y una variedad de herramientas se puede utilizar para activar o inhibir una neurona.
"Ofrece lo mejor de ambos mundos: se puede manipular un tipo de células específicas dentro de una región específica del cerebro, y puede hacerlo con una precisión de milisegundos. Esto significa que podemos empezar a separar las funciones de los diferentes tipos de células, la activación o la desactivación ha de poner a prueba causalmente su papel en la función cerebral y el comportamiento ", comenta Joanna Mattis, un estudiante graduado en el laboratorio de Deisseroth.
Considerados "Método del Año" por Nature Methods en 2010 y puso de relieve en el "Perspectivas de la Década" sección especial por la ciencia en ese mismo año, la optogenética es un recién llegado en el ámbito de la neurociencia, emergiendo hace menos de 10 años.
No obstante este campo, toma prestado de las observaciones y los descubrimientos realizados hace 30-40 años. En 1979, Francis Crick ha señalado la dificultad de utilizar electrodos para identificar las neuronas específicas del cerebro y luego especuló que la luz podría ser capaz de afinar en un tipo de célula y dejar a otros sin alteraciones. Sin embargo, como neurocientífico no sabía cómo hacer a las neuronas sensibles a la luz. Con los años, los biólogos descubrieron muchos tipos diferentes de proteínas que responden a la luz, o opsinas. Entre ellos, los canales iónicos que se abren cuando una sustancia química co-factor, todo-trans-retinal, absorbe los fotones.
Sin embargo, los genes que codifican estas opsinas no fueron identificados hasta el año 2003, y los neurobiólogos se centraron más bien en la célula dirigida por las herramientas que utiliza una combinación de productos químicos y genes para alterar la función neuronal. Hasta el año 2005, cuando el grupo de Deisseroth descubierto que estas opsinas microbianas precisamente podía controlar las neuronas en respuesta a la luz y, en 2006, mostraron que los tejidos vertebrales, incluso para adultos, incluyendo el cerebro, expresa de manera natural todo-trans-retinal.
Antes de estos estudios, el laboratorio de Miesenböck había desarrollado otras estrategias para el control de optogenetico de las células nerviosas al volver a montar moscas de la fruta (Drosophila) la opsina con vías de señalización en las neuronas o la combinación de luz activados por los productos químicos con los genes introducidos. En 2005, "control remoto" el comportamiento de las moscas con la luz. Su grupo también desarrolló un medio para visualizar la actividad genética de las células nerviosas mediante la creación de synapto-pHluorin, una forma sensible al pH de la proteína verde fluorescente.
Grupo de Deisseroth posteriormente demostró el uso de opsinas microbianas para el control neuronal de los mamíferos que se mueven libremente. Se describen las interfaces de fibra óptica que pueden ser implantados en el cerebro para proporcionar la luz necesaria para activar estos canales y de las neuronas que son un objetivo específico en los recovecos del cerebro. Ahora, la optogenética es ubicua a la neurociencia, y una variedad de herramientas se puede utilizar para activar o inhibir una neurona.
"Ofrece lo mejor de ambos mundos: se puede manipular un tipo de células específicas dentro de una región específica del cerebro, y puede hacerlo con una precisión de milisegundos. Esto significa que podemos empezar a separar las funciones de los diferentes tipos de células, la activación o la desactivación ha de poner a prueba causalmente su papel en la función cerebral y el comportamiento ", comenta Joanna Mattis, un estudiante graduado en el laboratorio de Deisseroth.
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