sinapsis en el pez cebra

Peces que brillan; un microscopio hecho a medida; una nueva forma de catalogar la ciencia

Un equipo de investigadores de la Universidad del Sur de California ha respondido por primera vez a esta pregunta induciendo un recuerdo en una larva de pez cebra y luego mapeando los cambios en sus cabezas transparentes con células cerebrales iluminadas como Times Square en la víspera de Año Nuevo.

Después de seis años de investigación, hicieron el innovador descubrimiento de que el aprendizaje hace que las sinapsis, las conexiones entre las neuronas, proliferen en algunas áreas y desaparezcan en otras, en lugar de simplemente cambiar su fuerza, como se piensa comúnmente. Estos cambios en las sinapsis pueden ayudar a explicar cómo se forman los recuerdos y por qué ciertos tipos de recuerdos son más fuertes que otros.

Nuevo método y herramientas

El estudio fue posible gracias a un nuevo tipo de etiquetado de células y un microscopio hecho a medida inventado en la USC. Los investigadores también desarrollaron una forma de vanguardia para rastrear y archivar los datos recopilados para que sus hallazgos sean lo más accesibles y reproducibles posible.

Antes de su trabajo, no era posible determinar la ubicación de una sinapsis en un cerebro vivo sin modificar su estructura y función, lo que hacía inviable las comparaciones antes y después de la formación de la memoria.

A través de una colaboración multidisciplinaria entre la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC y la Facultad de Letras, Artes y Ciencias Dornsife de la USC, los equipos pudieron determinar por primera vez la fuerza y la ubicación de las sinapsis antes y después del aprendizaje en el cerebro de un pez cebra vivo, un animal comúnmente utilizado para estudiar la función cerebral.

El pez cebra es lo suficientemente grande como para tener un cerebro que funcione como el nuestro, pero lo suficientemente pequeño y transparente como para ofrecer una ventana al cerebro vivo. Al mantener vivos a los peces intactos, pudieron comparar las sinapsis en el mismo cerebro a lo largo del tiempo, un gran avance en el campo de la neurociencia.

Para crear memorias a medida, el equipo de investigación tuvo que idear nuevos métodos para inducir a aprender a las larvas de pez cebra. Hicieron esto entrenando a peces de 12 días de edad para que asociaran el encendido de una luz con el calor en la cabeza con un láser infrarrojo, una acción que intentaron evitar al intentar alejarse nadando. Los peces que aprendieron a asociar la luz con el láser inminente sacudirían la cola, indicando que habían aprendido. Cinco horas de entrenamiento más tarde, el equipo pudo observar y capturar cambios significativos en estos cerebros de pez cebra.

sinapsis en el pez cebra, comparación

Imagen: Usando un software desarrollado por investigadores de la USC que crea un mapa de sinapsis cerebrales a partir de una imagen de microscopio 3D, los científicos comparan los tamaños y las ubicaciones de las sinapsis antes y después del aprendizaje para identificar aquellas que se crearon o eliminaron durante el aprendizaje. La línea roja marca un límite entre las regiones del cerebro que muestran la ganancia general y la pérdida general. (Imagen: Don Arnold.)

Además de crear este nuevo enfoque, Arnold, un neurocientífico de la USC Dornsife y profesor de ciencias biológicas e ingeniería biomédica, dirigió un equipo que creó nuevos métodos para alterar el ADN de los peces para que la fuerza y la ubicación de una sinapsis se marcaran con un proteína fluorescente que brilla cuando es escaneada por un láser.

"Nuestras sondas pueden etiquetar las sinapsis en un cerebro vivo sin alterar su estructura o función, lo que no era posible con las herramientas anteriores", dijo Arnold.

Esto hizo posible que el microscopio especializado desarrollado por el equipo de Fraser escaneara el cerebro y obtuviera imágenes donde se ubicaban las sinapsis.

"El microscopio que construimos fue diseñado para resolver este desafío de imágenes y extraer el conocimiento que necesitábamos", dijo Fraser, profesor rector de ciencias biológicas e ingeniería biomédica en el Centro Michelson de Biociencia Convergente de la USC, con citas en la USC Viterbi, la USC Dornsife , y la Escuela de Medicina Keck de la USC.

"A veces, intentas conseguir una imagen tan espectacular que matas lo que estás mirando. Para este experimento, tuvimos que encontrar el equilibrio adecuado entre obtener una imagen que fuera lo suficientemente buena para obtener respuestas, pero no tan espectacular como para matar a los peces con fotones".

Con este innovador microscopio, pudieron observar cambios en animales vivos y obtener imágenes de antes y después de los cambios en el mismo espécimen. Anteriormente, debido a que los experimentos se realizaban en especímenes fallecidos, solo podían comparar dos cerebros diferentes, uno condicionado y otro no.

"Esta es una imagen ninja, nos colamos sin ser descubiertos", dijo Fraser.

El resultado fueron cientos de imágenes y experimentos que tuvieron que ser procesados y analizados. Un tercer grupo, dirigido por Kesselman, científico informático del Centro Michelson de biociencia convergente de la USC y profesor de ingeniería William H. Keck en la USC Viterbi, desarrolló nuevos algoritmos innovadores que hicieron esto posible mientras realizaban un seguimiento de los grandes y complejos experimentos que se estaban realizando durante la duración de la investigación.

palio de pez cebra

Imagen: Vista dorsal de un palio de pez cebra larval de 15 dpf con una región fotografiada por SPIM delineada en blanco.

Resultados sorprendentes

La conclusión principal al analizar esas imágenes: en lugar de que la memoria hiciera que cambiara la fuerza de las sinapsis existentes, se destruyeron las sinapsis en una parte del cerebro y se crearon sinapsis completamente nuevas en una región diferente del cerebro.

"Durante los últimos 40 años, la sabiduría común era que se aprende cambiando la fuerza de las sinapsis", dijo Kesselman, quien también se desempeña como director de la División de Informática en el Instituto de Ciencias de la Información de la USC y es profesor en el Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas Daniel J. Epstein, "pero eso no es lo que encontramos en este caso".

"Este fue el mejor resultado posible que pudimos haber tenido", dijo Arnold, "porque vimos este dramático cambio en la cantidad de sinapsis: algunas desaparecieron, otras se formaron, y lo vimos en una parte muy distinta del cerebro. El dogma era que las sinapsis cambian de fuerza. Pero me sorprendió ver un fenómeno de tira y afloja, y que no vimos un cambio en la fuerza de las sinapsis".

Los resultados sugieren que los cambios en el número de sinapsis codifican recuerdos en el experimento y pueden ayudar a explicar por qué los recuerdos asociativos negativos, como los asociados con el trastorno de estrés postraumático, son tan sólidos.

"Se ha pensado que la formación de la memoria implica principalmente la remodelación de las conexiones sinápticas existentes", dijo Arnold, "mientras que en este estudio encontramos la formación y eliminación de sinapsis, pero solo vimos pequeños cambios aleatorios en la fuerza sináptica de las sinapsis existentes. Esto puede deberse a que este estudio se concentró en los recuerdos asociativos, que son mucho más sólidos que otros recuerdos y se forman en un lugar diferente del cerebro, la amígdala, en comparación con el hipocampo para la mayoría de los otros recuerdos. Esto algún día puede tener relevancia para el trastorno de estrés postraumático, que se cree que está mediado por la formación de recuerdos asociativos".

Un aspecto inusual del artículo y el estudio asociado fue su enfoque en cómo hacer que los resultados de la investigación sean lo más transparentes y reproducibles posible, haciendo que cada dato asociado con el artículo se pueda buscar y esté disponible para cualquier científico en un sitio web disponible públicamente: Mapping the Dynamic Synaptome (Mapeo del sinaptoma dinámico).

La accesibilidad de todos los datos y el código es esencial para reproducir los resultados científicos, pero rara vez se logra el acceso a todos los datos que se usaron para producir un artículo. Por ejemplo, estudios recientes han demostrado que solo el 20% de la investigación sobre el cáncer es reproducible porque no están disponibles los datos.

"El equipo de la USC ha establecido un nuevo estándar para el acceso a los datos en el sentido de que todos los datos generados durante la investigación de seis años fueron capturados y organizados para esta investigación", dijo Kesselman, quien diseñó este nuevo paradigma. "Hemos abordado este problema desde el principio mediante la creación de un sistema integral diseñado para compartir y analizar datos. Fue útil mientras hacíamos nuestros experimentos porque los equipos podían acceder a los datos en todo momento y guiará a aquellos que quieran usar nuestro trabajo en el futuro".

"Realmente creo que este es el futuro de la transparencia en la investigación, una nueva era, y la USC está a la vanguardia", dijo Fraser.

El estudio fue publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences: Acquisition and loss of regional synapses is associated with memory formation in zebrafish larvae

Imagen de cabecera: LAS SINAPSIS DEL CEREBRO DE UN PEZ CEBRA SON DESTACADAS POR UN MICROSCOPIO (CRÉDITO DE LA FOTO: USC)

Etiquetas: InstantáneaMemoriaPez cebra
 
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