Un método potente de obtención de imágenes con superresolución podría desvelar el «diagrama de cableado» a nanoescala de las neuronas de la memoria cerebral
El cerebro es la parte más sofisticada del cuerpo humano: contiene unos cien mil millones de neuronas, equivalente al número de estrellas de la Vía Láctea, y un mil billones de conexiones sinápticas, las cuales forman una gigantesca red que nos da la conciencia.
Explorar estructuras con forma de árbol
El proceso que da lugar a la memoria a partir de este enjambre de neuronas sigue siendo un misterio. El hipocampo es una región profundamente arraigada en el cerebro de los mamíferos que, desde hace mucho tiempo, se considera el centro arquetípico de la formación de la memoria. El objetivo del proyecto IVSTED, financiado con fondos europeos, era investigar las conexiones entre las neuronas del hipocampo «in vivo» con una resolución espacial subcelular. Para procesar la información, las neuronas del hipocampo activan una miríada de entradas sinápticas a través de las espinas dendríticas. Los investigadores se concentraron en los cambios dinámicos de estos diminutos compartimentos neuronales. Los cambios en la estructura de sus espinas, conocidos como plasticidad estructural, permiten a las sinapsis modular su fuerza de conexión. «Las espinas dendríticas son muy dinámicas, y su plasticidad (o fuerza sináptica) se considera ahora un importante correlato estructural de la huella de la memoria», explica Stéphane Bancelin, coordinador del proyecto IVSTED. Sin embargo, debido a su tamaño nanométrico y a su alta densidad, es extremadamente difícil estudiarlas en el plano experimental y revelar su estructura precisa en un entorno realista.
Resolución espacial sin precedentes
En el proyecto se ha desarrollado un microscopio con la suficiente resolución espacial para observar los detalles precisos de las espinas dendríticas. Cabe destacar que este microscopio se aplicó para monitorizar «in vivo» las sinapsis en el cerebro de un ratón anestesiado. Hasta la fecha, la microscopía óptica convencional no ha permitido dilucidar adecuadamente los detalles morfológicos exactos de estas estructuras postsinápticas, mientras que la microscopía electrónica solo ha proporcionado imágenes de secciones cerebrales fijadas. Lo anterior ha limitado la visión de los neurocientíficos con respecto a la dinámica de las espinas y su comprensión de los mecanismos sinápticos subyacentes a la fisiología y la conducta del cerebro. Los investigadores del proyecto IVSTED aprovecharon el potencial de la microscopía de agotamiento de la emisión estimulada, una técnica de microscopía de superresolución que rebasa el límite de resolución de la difracción para aumentar la resolución. Para inspeccionar tejidos más profundos, también utilizaron la modulación espacial de la luz, una tecnología de óptica adaptativa que permite moldear espacialmente el haz de luz para cancelar distorsiones (aberraciones) inducidas por el tejido a grandes profundidades. «Por primera vez, conseguimos visualizar estructuras postsinápticas en el hipocampo de un animal vivo, con una resolución espacial inferior a 50 nm», señala Bancelin.
Memoria estable con sinapsis inestables
Los investigadores no solo estudiaron la morfología a nanoescala de las espinas dendríticas, sino también su renovación, es decir, la formación y eliminación de estas estructuras postsinápticas transitorias. «Observamos una renovación sináptica extremadamente alta: cerca del 40 % de las espinas dendríticas observadas se reemplazaron en un período de 4 días. Nuestras observaciones concuerdan con un estudio reciente que revela que la naturaleza fugaz del hipocampo de los mamíferos refleja la dinámica de renovación de sus sinapsis», observa Bancelin. La pregunta subsiguiente es si existe una población de sinapsis estable en el hipocampo. Los investigadores quieren seguir trabajando en este recableado sináptico para revelar cómo responde el cerebro a los cambios conductuales y cómo forma nuevos recuerdos. El equipo del proyecto IVSTED ya ha abierto nuevas vías para investigar los mecanismos estructurales de la formación de la memoria. «Comprender el funcionamiento y la anatomía de las intrincadas redes cerebrales podría darnos pistas sobre los mecanismos celulares subyacentes a los trastornos neurológicos. Por ejemplo, un gran número de estudios sugiere que la pérdida de memoria y otros déficits cognitivos en la enfermedad de Alzheimer se deben principalmente a un deterioro de las sinapsis», concluye Bancelin.
Palabras clave
IVSTED, espinas dendríticas, formación de la memoria, estructuras postsinápticas, imagenología de superresolución, microscopía de agotamiento de la emisión estimulada, óptica adaptativa, hipocampo, sinapsis
