Circuito neuronal se refiere al canal formado por la interconexión de neuronas en el cerebro para transmitir determinada información. El circuito neuronal más simple es el circuito reflejo rotuliano: después de un golpe de martillo debajo de la rodilla, la información sensorial se genera desde el huso muscular y ingresa a la médula espinal a través de las neuronas sensoriales, luego la información motora se transmite desde las neuronas motoras a la médula espinal y; luego a los músculos para controlar la contracción del músculo cuádriceps y la relajación del bíceps. Los circuitos neuronales del sistema nervioso central suelen ser mucho más complejos que el reflejo rotuliano y no solo involucran múltiples regiones del cerebro sino que también tienen estructuras de conexión complejas.
Por muy complicada que sea la reflexión, se compone de tres partes: entrada (información sensorial), procesamiento intermedio y salida (comportamiento). Es tan simple como el circuito reflejo rotuliano, cuya entrada es un golpe cerca de la rodilla, y la salida es un comportamiento de patada causado por la contracción muscular. El complejo comportamiento de cortejo de las moscas se manifiesta en un entorno, tiempo y presencia específicos; de moscas de la fruta hembras. , y el resultado es una serie de comportamientos para perseguir a las hembras de la mosca de la fruta, como seguir, cantar, oler, etc. Las entradas y salidas suelen ser fáciles de controlar y observar, y el sistema nervioso es como una caja negra. Sólo conocemos sus entradas y salidas, pero no sabemos nada sobre su mecanismo de funcionamiento.
Con el fin de esclarecer la verdad sobre los circuitos neuronales, la biología ha acumulado una gran cantidad de métodos para resolver las siguientes preguntas: ¿Cuáles son los componentes de un circuito neuronal? ¿Cuál es la función de cada componente? ¿Cómo se implementan estas funciones?
Analizar los componentes de los circuitos neuronales y sus funciones, es decir, distinguir las partes relacionadas con una función específica de los 100 mil millones de neuronas del cerebro. Esto requiere que relacionemos algunas características de las neuronas con algunas funciones del sistema nervioso. ¿Cuáles son las características de las neuronas? La morfología no es suficiente para diferenciar entre diferentes circuitos (aunque a veces las características de apariencia son útiles, como las neuronas dopaminérgicas oscuras en la sustancia negra del mesencéfalo). En términos generales, hay dos características con la resolución más alta: ① Las características espaciotemporales de la expresión genética, que son, después de todo, la razón fundamental de las diferencias entre cualquier célula de un individuo ② Las características espaciotemporales de la liberación del potencial de acción y la transmisión sináptica; , que son los componentes clave del sistema nervioso. Para las características de la expresión genética, podemos utilizar la biología/genética molecular para detectarla; para la liberación del potencial de acción, contamos con métodos electrofisiológicos para detectarla.
A continuación, en el caso de los rasgos, ¿cómo los conectamos con funciones específicas del sistema nervioso? Para explicarlo más claramente, tomemos como ejemplo el comportamiento de cortejo de las moscas de la fruta. Una forma de pensar es: ① Observar el cerebro de Drosophila durante el proceso de cortejo y ver qué neuronas están activas en secuencia. Simplemente puedes pensar que estas neuronas están relacionadas con el cortejo. El problema con esta idea es cómo registrar la actividad de cada neurona en el cerebro con alta resolución espaciotemporal en moscas vivas; esto obviamente no es realista, pero podemos acercarnos a este objetivo utilizando varias técnicas que se describirán más adelante. Otra idea es inhibir o mejorar la función de ciertas neuronas y luego ver cómo se ve afectado el comportamiento de cortejo de las moscas, ya sea que se mejore (como un osito de peluche en celo) o se debilite (desdén por las sexys moscas de la fruta Gu). Este método no requiere grabaciones en tiempo real, simplemente observar el comportamiento es fácil; el problema es cómo inhibir o mejorar la función de partes específicas de la neurona.
Hablemos primero de la segunda forma de pensar. Cuando desconectamos la tarjeta de red, la computadora no puede acceder a Internet, por lo que pensamos que la función de la tarjeta de red es conectarse a Internet. Asimismo, el cerebro se puede estudiar de la misma forma. A mediados del siglo XX, a un paciente llamado H.M. le extirparon quirúrgicamente el hipocampo y le resultó difícil formar nuevos recuerdos (declarativos). Esto fue de gran ayuda para la comunidad científica en la comprensión de los circuitos relacionados con la memoria. Sin embargo, la resolución quirúrgica es limitada y sólo puede eliminar una porción de tejido cerebral que se encuentra cerca en el espacio. La biología moderna no sólo puede utilizar la biología molecular/métodos genéticos para cambiar permanentemente la actividad de las neuronas (desde el nacimiento hasta la muerte), sino también utilizar el control químico, el control de la temperatura y el control de la luz para manipular las neuronas en tiempo real (de segundos a horas).
La manipulación genética es el principal método para cambiar permanentemente la actividad neuronal, es decir, reducir la expresión de determinados genes endógenos y potenciar la expresión de determinados genes endógenos (o exógenos).
La inhibición de la expresión génica se puede detectar mediante genética directa o genética inversa, como la eliminación mediada por recombinación homóloga y la eliminación mediada por ARNi. Los genes exógenos se pueden aumentar mediante transgénesis o eliminación, mientras que la sobreexpresión de genes endógenos puede aumentar los elementos reguladores potenciadores/promotores aguas arriba del gen diana.
El funcionamiento de las neuronas en ocasiones necesita realizarse en un periodo de tiempo y espacio concreto. Los sistemas de expresión dual, como Cre/LoxP y Gal4/UAS, proporcionan medios de manipulación genética modulares y específicos de tejido, mejorando así la resolución espacial de la manipulación. Métodos como la inyección viral, la optogenética y la genética química proporcionan los medios para cambiar temporalmente las características de expresión genética de regiones específicas, mejorando así la resolución temporal de la cirugía.
Hablemos primero de la primera idea. ¿Cómo observar la actividad neuronal in vivo? ¿Cuál es la diferencia entre neuronas activas e inactivas? Las neuronas activas tienen potenciales de acción densos, una gran cantidad de canales iónicos están abiertos y hay un flujo iónico transmembrana. Las técnicas electrofisiológicas registran las primeras y las técnicas de imágenes de calcio (GECI) (el GCaMP más utilizado) registran las segundas. GEVI registra cambios en el potencial de membrana con mayor resolución temporal que GECI, pero la intensidad de fluorescencia es insuficiente. Otro problema con las técnicas de imagen anteriores es que el tejido cerebral más grueso in vivo es un gran desafío para la microscopía. Actualmente, la tecnología de dos fotones más avanzada sólo puede penetrar unos 500 mm de tejido y mantener la resolución. Además, la resonancia magnética funcional registra el flujo sanguíneo acelerado cerca de las neuronas activas. Aunque su resolución espacial es muy baja, es de gran importancia como método no invasivo en la investigación del cerebro humano.
A través de las dos formas de pensar anteriores, a menudo obtenemos el siguiente resultado: "Las neuronas xxx en el área A y el área B pueden estar relacionadas con el comportamiento X, y el área C también tiene cierta influencia en este comportamiento". ...". Pero, ¿cómo se conectan estas áreas? ¿Dónde están los límites de esta región? ¿Qué tipos de neuronas están presentes en cada región? Es difícil que los dos experimentos anteriores respondan completamente a estas preguntas. En este momento, es necesario utilizar métodos anatómicos para observar el cerebro estáticamente.
¿Cómo marcar células específicas para que sean diferentes de las células circundantes? La tinción es un método comúnmente utilizado en biología. Cuando la GFP se transfiere a ratones, se pueden etiquetar tipos de células específicos. La tecnología marcm (análisis de mosaico con marcador celular reprimible) puede inactivar los pigmentos fluorescentes de la mayoría de las células en un grupo de células de la misma especie, dejando solo una pequeña parte con fluorescencia, lo que permite una observación más clara de la morfología de las células individuales. La proteína fluorescente verde fotoconvertible/conmutable puede marcar neuronas con especificidad inducida por la luz; Campari (integrador ratiométrico fotomóvil modulado por calcio) puede marcar específicamente neuronas activas, lo que proporciona una herramienta para el registro dinámico in vivo.
Además de observar la morfología de las células individuales, también queremos conocer las conexiones entre las neuronas. La tecnología GRASP y el mapeo funcional pueden probar si existe una conexión entre dos neuronas, mientras que los trazadores transmembrana químicos o basados en virus pueden encontrar neuronas aguas arriba o aguas abajo de una neurona.
Los anteriores son métodos de biología molecular comúnmente utilizados en la investigación de circuitos neuronales.
Neurociencia en redes. ? ¿Neurociencia Nat? 20,?353–364(2017)doi:10.1038/nn.4502