En el estudio, los neurocientíficos de la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford estimularon las células nerviosas en la corteza visual de los ratones para inducir una imagen ilusoria en las mentes de los animales. Los científicos necesitaban estimular un número sorprendentemente pequeño de células nerviosas, o neuronas, para generar la percepción, lo que causó que los ratones se comportaran de una manera particular.

"En 2012, describimos la capacidad de controlar la actividad de las neuronas seleccionadas individualmente en un animal despierto y alerta", dijo Karl Deisseroth, MD, PhD, profesor de bioingeniería y de psiquiatría y ciencias del comportamiento. "Ahora, por primera vez, hemos podido avanzar esta capacidad para controlar múltiples células especificadas individualmente a la vez, y hacer que un animal perciba algo específico que, de hecho, no está realmente allí, y se comporte en consecuencia".

El estudio, que se publicará en línea el 18 de julio en Ciencia, tiene implicaciones para obtener una mejor comprensión del procesamiento natural de la información en el cerebro, así como trastornos psiquiátricos como la esquizofrenia, y apunta a la posibilidad de diseñar dispositivos protésicos neurales con resolución unicelular.

Deisseroth es el autor principal del estudio. La autoría principal es compartida por los científicos del personal James Marshel, PhD, y Sean Quirin, PhD; estudiante de posgrado Yoon Seok Kim; y erudito postdoctoral Timothy Machado, PhD.

Uso de optogenética

Deisseroth, quien es investigador del Instituto Médico Howard Hughes y tiene la cátedra DH Chen, fue pionero en optogenética, una tecnología que permite a los investigadores estimular neuronas particulares en animales que se mueven libremente con pulsos de luz, y observar los efectos resultantes en la función cerebral de los animales. comportamiento.

En el nuevo estudio, Deisseroth y sus colegas insertaron una combinación de dos genes en un gran número de neuronas en la corteza visual de ratones de laboratorio. Un gen codificó una proteína sensible a la luz que provocó que la neurona se activara en respuesta a un pulso de luz láser de un color estrechamente definido, en este caso, en el espectro infrarrojo. El otro gen codificaba una proteína fluorescente que brillaba en verde cuando la neurona estaba activa.

Los científicos crearon ventanas craneales en los ratones mediante la extracción de una parte de los cráneos de los animales para exponer parte de la corteza visual, que tanto en los ratones como en los humanos es responsable de procesar la información retransmitida desde la retina. Los investigadores protegieron esta área expuesta con una cubierta de vidrio transparente. Luego, podrían usar un dispositivo que desarrollaron con el propósito del estudio para proyectar hologramas (configuraciones tridimensionales de fotones específicos) en, y en, la corteza visual. Estos fotones aterrizarían en puntos precisos a lo largo de neuronas específicas. Los investigadores pudieron monitorear la actividad resultante de casi todas las neuronas individuales en dos capas distintas de la corteza cerebral que abarcan alrededor de 1 milímetro cuadrado y contienen del orden de varios miles de neuronas.

Con sus cabezas fijas en una posición cómoda, a los ratones se les mostraron series aleatorias de barras horizontales y verticales mostradas en una pantalla. Los investigadores observaron y registraron qué neuronas en la corteza visual expuesta se activaron de manera preferencial por una u otra orientación. A partir de estos resultados, los científicos pudieron identificar poblaciones dispersas de neuronas individuales que se "sintonizaron" con una visualización horizontal o vertical.

Entonces pudieron "reproducir" estas grabaciones en forma de hologramas que producían puntos de luz infrarroja en solo neuronas que respondían a barras horizontales o verticales. La actividad neuronal descendente resultante, incluso en ubicaciones relativamente alejadas de las neuronas estimuladas, fue bastante similar a la observada cuando el estímulo natural, una barra negra horizontal o vertical sobre un fondo blanco, se mostraba en la pantalla.

Los científicos entrenaron a los ratones para lamer el extremo de un tubo cercano en busca de agua cuando vieron una barra vertical, pero no cuando vieron una horizontal o no vieron ninguna. A lo largo de varios días, a medida que mejoró la capacidad de los animales para discriminar entre barras horizontales y verticales, los científicos redujeron gradualmente el contraste blanco y negro para hacer la tarea cada vez más difícil. Descubrieron que el rendimiento de los ratones se animaba si los científicos complementaban las presentaciones visuales con estimulación optogenética simultánea: por ejemplo, si el rendimiento de un animal se deterioraba como resultado de un menor contraste, los investigadores podrían aumentar sus poderes de discriminación estimulando neuronas previamente identificadas como preferenciales dispuestas a disparar en respuesta a una barra horizontal o vertical.

Este impulso ocurrió solo cuando la estimulación optogenética fue consistente con la estimulación visual, por ejemplo, una barra vertical de visualización más la estimulación de las neuronas previamente identificadas como propensas a disparar en respuesta a barras orientadas verticalmente.

Ratones alucinantes

Una vez que los ratones se habían vuelto expertos en la discriminación entre las barras horizontales y verticales, los científicos pudieron inducir el comportamiento de lamer tubos en los ratones simplemente proyectando el programa holográfico "vertical" sobre la corteza visual de los ratones. Pero los ratones no lamerían el tubo si en su lugar se proyectara el programa "horizontal".

"No solo el animal está haciendo lo mismo, sino también el cerebro", dijo Deisseroth. "Así que sabemos que estamos recreando la percepción natural o creando algo muy parecido".

En sus primeros experimentos, los científicos habían identificado numerosas neuronas que estaban sintonizadas con una orientación horizontal o vertical, pero aún no habían estimulado directamente cada una de esas neuronas particulares de manera optogenética. Una vez que los ratones se entrenaron, la estimulación optogenética de pequeñas cantidades de estas neuronas fue suficiente para que los ratones respondieran con un comportamiento adecuado de lamido o no lamido.

Los investigadores se sorprendieron al descubrir que la estimulación optogenética de unas 20 neuronas, o menos en algunos casos, seleccionadas solo por su capacidad de respuesta a la orientación correcta, podía producir la misma actividad neuronal y el comportamiento animal que mostraba la barra vertical u horizontal.

"Es bastante sorprendente la cantidad de neuronas que necesitas para estimular específicamente en un animal para generar una percepción", dijo Deisseroth.

"Un cerebro de ratón tiene millones de neuronas; un cerebro humano tiene muchos miles de millones", dijo. "Si solo unos 20 o más pueden crear una percepción, ¿por qué no estamos alucinando todo el tiempo, debido a una actividad aleatoria espuria? Nuestro estudio muestra que la corteza de los mamíferos de alguna manera está preparada para responder a un número sorprendentemente bajo de células sin causar espurias percepciones en respuesta al ruido ".

Deisseroth es miembro de Stanford Bio-X y del Wu Tsai Neurosciences Institute en Stanford.

La Oficina de Licencias de Tecnología de Stanford ha presentado una solicitud de patente de propiedad intelectual asociada con el trabajo.

El trabajo fue financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, HHMI, los Institutos Nacionales de la Salud (subvenciones R01MH075957 y P50DA042012), la Fundación Simons, el Fondo de la Familia Wiegers, la Fundación Nancy y James Grosfeld, el Fondo Sam y Betsy Reeves, el HL Snyder Foundation, la Fundación Burroughs-Wellcome, la Fundación McKnight, la Fundación James S. McDonnell y la Fundación Swartz.