Investigadores de la Universidad de Kyushu han desarrollado una técnica innovadora para medir de forma no invasiva dos señales clave en neuronas de animales despiertos: el voltaje de la membrana y los niveles de calcio intracelular. Este avance proporciona una comprensión más completa sobre el funcionamiento de las neuronas, revelando que estas señales codifican información distinta sobre los estímulos sensoriales. La investigación fue publicada en Communications Biology el 16 de septiembre de 2024.
Las neuronas son células fundamentales que transmiten información a través de señales eléctricas. Cuando una neurona recibe un estímulo, los cambios en el voltaje de la membrana (la carga eléctrica a través de la membrana celular) activan la neurona, lo que provoca que las variaciones en el voltaje de la membrana se propaguen como una señal eléctrica. Estos cambios en el voltaje de la membrana conducen a alteraciones en los niveles de calcio intracelular (calcio en el interior de las neuronas).
Históricamente, la medición del voltaje de la membrana ha requerido técnicas invasivas con electrodos. Como alternativa no invasiva, se han desarrollado métodos para medir la actividad del calcio utilizando proteínas fluorescentes sensibles a los iones de calcio como sensores, sirviendo como un proxy indirecto de la actividad neuronal. Sin embargo, estos métodos distintos han llevado a que ambas señales se estudien casi siempre por separado, dificultando la comprensión de su interacción en tiempo real y la identificación de sus funciones distintas en animales vivos.
Avances en la Medición Simultánea
Los recientes avances en el desarrollo de proteínas fluorescentes que responden a cambios en el voltaje de la membrana permiten ahora el uso simultáneo de sensores de iones de calcio y de voltaje de la membrana. Según el autor principal, el profesor Takeshi Ishihara de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Kyushu, «la medición simultánea de iones de calcio intracelulares y voltaje de la membrana puede ayudarnos a entender cómo las neuronas codifican información para el procesamiento sensorial en circuitos neuronales».
En colaboración con la Facultad de Informática y Ingeniería de Sistemas del Instituto de Tecnología de Kyushu, Ishihara y su equipo desarrollaron un método para medir simultáneamente el calcio intracelular y el voltaje de la membrana en neuronas de animales vivos. Capturando imágenes bajo el microscopio a una velocidad de 250 fotogramas por segundo y utilizando técnicas avanzadas de procesamiento de imágenes, los investigadores lograron detectar pequeñas y rápidas fluctuaciones en la intensidad fluorescente de los sensores de iones de calcio y de voltaje de la membrana.
Con esta técnica, los científicos se centraron en cómo las neuronas olfativas de Caenorhabditis elegans, pequeños nematodos comúnmente utilizados como organismos modelo en la investigación de neurociencia, responden a los odorantes. Los investigadores descubrieron que, al exponerse a olores, estas neuronas modificaban su voltaje de membrana y sus niveles de calcio intracelular. Lo más relevante fue que se reveló, por primera vez, que estas señales codifican información separada: mientras que el voltaje de la membrana indicaba la presencia de un olor, los niveles de calcio intracelular reflejaban la concentración del mismo. Al medir ambas señales de manera simultánea, los investigadores pudieron comprender mejor cómo el cerebro procesa y distingue las entradas sensoriales.
Además, los autores identificaron dos canales iónicos esenciales para el cambio de voltajes de membrana provocados por la estimulación sensorial. También encontraron que una proteína llamada ODR-3, involucrada en la transmisión de señales en neuronas, juega un papel crucial en la estabilización del voltaje de la membrana, evitando que las neuronas se activen inapropiadamente en respuesta a estímulos irrelevantes, además de regular el tiempo y la magnitud de las respuestas a los olores.
En el futuro, se espera que las mediciones simultáneas del voltaje de la membrana y del calcio intracelular también se puedan llevar a cabo en neuronas de animales más complejos, o en otros tipos de neuronas, lo que podría revelar información valiosa sobre la codificación de la información en circuitos neuronales.
Como apunta Ishihara, «estas mediciones simultáneas a alta velocidad revelan las diferentes funciones de las señales de voltaje de membrana y de iones de calcio intracelular inducidas por los estímulos sensoriales. Estos hallazgos podrían llevar a una mejor comprensión del procesamiento sensorial en el sistema nervioso central, no solo en sistemas modelo simples como los nematodos, sino también en organismos superiores».
Más información: Terumasa Tokunaga et al, Mechanism of sensory perception unveiled by simultaneous measurement of membrane voltage and intracellular calcium, Communications Biology (2024). DOI: 10.1038/s42003-024-06778-2
