Los investigadores utilizan tecnología avanzada y ratones para estudiar la estructura de las neuronas dopaminérgicas, la adicción y la capacidad de recuperación del cerebro.
Un comercial de fines de la década de 1980 destinado a combatir la adicción a las drogas utilizó un par de huevos fritos como metáfora de los efectos de las drogas en el cerebro humano. Si bien los investigadores han entendido durante mucho tiempo que existe una conexión entre el abuso de drogas y los cambios adversos en el cerebro, solo ahora pueden estudiar, en detalle, las alteraciones que realmente ocurren.
Utilizando tecnología de punta, investigadores de la Universidad de Chicago y Argonne National Laboratory detallaron, por primera vez, cambios específicos que ocurren en los cerebros de ratones expuestos a cocaína.
Los axones de dopamina (azul claro) forman hinchazones locales, llamadas varicosidades, llenas de vesículas (esferas amarillas) que liberan dopamina. Estas inflamaciones pueden formar puntos de contacto directo con axones no dopaminérgicos (rojo) y se parecen mucho a las espínulas, estructuras que se cree que modulan la actividad neuronal. Crédito: Imagen de Gregg Wildenberg, Universidad de Chicago/Laboratorio Nacional Argonne
La investigación proporciona nuevos conocimientos sobre la función de las estructuras neuronales de dopamina clave, que están involucradas en múltiples funciones, desde el movimiento voluntario hasta el comportamiento. Los resultados dieron vuelta la página sobre preguntas más antiguas sobre cómo se transmite la dopamina, al tiempo que abrieron un nuevo capítulo sobre otros. A través del trabajo continuo, los investigadores esperan comprender cómo funcionan ciertos tipos de adicciones y, tal vez, desarrollar tratamientos específicos.
“No es que algunas moléculas estén cambiando aquí o allá. El circuito se está reorganizando mucho antes y con mucha menos exposición a la droga de lo que cualquiera hubiera pensado”.
- Narayanan 'Bobby' Kasthuri, neurocientífico, Argonne/UChicago
En un artículo reciente publicado en la revista ELIFE, los investigadores describen cómo se están basando en el floreciente campo de la conectómica, el desarrollo de mapas 3D muy detallados y precisos de cada neurona del cerebro y sus conexiones.
Por su parte, el equipo se propuso identificar más claramente el proceso por el cual la dopamina se transmite a través de las neuronas, ya que no hacen conexiones físicas convencionales, donde las señales se transfieren a través de las sinapsis.
"La evidencia sugiere que estas neuronas descargan dopamina en el espacio extracelular, activando las neuronas cercanas que poseen receptores sensibles a la dopamina", dice Gregg Wildenberg, investigador principal del proyecto. "Pero la conectómica ha tenido poco que decir sobre este tipo de circuitos porque no hacen las conexiones típicas, por lo que queríamos adentrarnos en esta área para ver cómo funcionaba realmente".
¿Qué cambios anatómicos, si los hay, en los circuitos de dopamina son causados por las drogas de abuso, como la cocaína?
Wildenberg es un científico del personal en el laboratorio de Narayanan "Bobby" Kasthuri, un destacado investigador de neurociencia en Argonne y profesor asistente en UChicago. Una de sus motivaciones para el proyecto fue comprender la participación de la dopamina en la adicción. ¿Qué cambios anatómicos, si los hay, en los circuitos de dopamina son causados por las drogas de abuso, como la cocaína?
Obtener ese nivel de detalle requirió el empleo del microscopio electrónico en serie tridimensional de gran volumen de Argonne. Un microscopio de alta potencia capaz de visualizar los detalles más pequeños del cerebro, permitió una mirada más íntima a las neuronas de dopamina de una selección de ratones sensibilizados con cocaína y animales de control.
Usando recursos de la Universidad de Chicago, el equipo recolectó aproximadamente 2,000 secciones de 40 nanómetros de espesor (1 mm = 1 millón de nm) de secciones del cerebro medio y anterior asociadas con dopamina.
A partir de estas muestras, el SEM generó una colección de imágenes individuales en 2D, con un total de más de 1.5 terabytes de datos. Estos se volvieron a ensamblar digitalmente utilizando el grupo de visualización, Cooley, en el Argonne Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Este proceso crea un volumen 3D que permite a los investigadores identificar y rastrear diferentes características anatómicas de las neuronas de dopamina, lo que, hasta hace poco, había resultado ser un desafío.
“El acto de fe en este proyecto fue que en realidad podríamos detectar cambios anatómicos que podrían estar ocurriendo en cualquier punto del cerebro”, dijo Kasthuri, coinvestigador del proyecto. ?“¿Podríamos tomar esta rebanada microscópica de cerebro y encontrar algo que sea cuantitativamente diferente? Esa también es parte de la razón por la que elegimos la cocaína, porque pensamos que lo que sea que esté sucediendo probablemente esté sucediendo sistémicamente en todo el cerebro”.
Los resultados determinaron que, efectivamente, las neuronas de dopamina no establecen conexiones físicas, excepto en algunos casos excepcionales. Y esto último puede sugerir que las neuronas de dopamina no son idénticas; que puede existir una subclase diferente que se inclina a hacer más conexiones físicas.
Un análisis conectómico de los cerebros de ratones tratados con cocaína muestra que los axones de dopamina se someten a dos importantes eventos de remodelación anatómica: 1) los axones aumentan el número promedio de ramas que forman (imagen superior), 2) al mismo tiempo que se podan o eliminan los axones existentes. Crédito: Imagen de Gregg Wildenberg, Universidad de Chicago/Laboratorio Nacional de Argonne.
En general, encontraron que las pequeñas hinchazones o varicosidades (sitios responsables de la liberación de dopamina) podían clasificarse en cuatro tipos diferentes según, en parte, el tamaño y la cantidad de vesículas portadoras de neurotransmisores que contenía cada varicosidad.
Descubrieron que algunas de estas hinchazones carecían de vesículas, lo que llevó a algunos críticos a afirmar que no podían definirse como sitios de liberación adecuados. Estas varicosidades vacías, dicen, probablemente indican que puede haber otros componentes moleculares, además de la presencia de vesículas, que definen los sitios de liberación de dopamina.
"Sugerimos que es posible que estas várices vacías tengan toda la maquinaria molecular para liberar dopamina, pero puede ser que las vesículas de dopamina estén siendo transportadas activamente por todo el axón y simplemente captamos una instantánea en la que algunas están vacías", dijo. Wildenberg.
La porción de cocaína del estudio produjo dos cambios importantes, los cuales se enfocan en los axones, los cables ultrafinos que se proyectan desde las neuronas. Al igual que los árboles, de los axones brotan zarcillos que se ramifican hacia otros axones para enviar señales. Después de exponer a los ratones a la cocaína, el equipo encontró un aumento en esa ramificación.
En un resultado totalmente inesperado, también encontraron que aproximadamente la mitad de los axones que estudiaron formaron enormes hinchazones, o bulbos, en varios lugares a lo largo del axón. La correlación más cercana a estos bulbos aparece en animales en desarrollo, en las uniones donde las neuronas se encuentran con los músculos. En algunos casos, un axón se retrae, o se corta, y luego se hincha hasta convertirse en una gran estructura en forma de bulbo.
El equipo vio signos tanto de brotación como de retracción, a veces en el mismo axón. Según los investigadores, el hallazgo representa la primera documentación de este comportamiento en el contexto de un modelo de enfermedad.
“El circuito se está reorganizando mucho antes y con mucha menos exposición a la droga de lo que cualquiera hubiera pensado”.
- Narayanan "Bobby" Kasthuri, científico en Argonne y profesor asistente en UChicago
“Ahora sabemos que existe una base anatómica para las drogas de exposición”, señaló Kasthuri. ?“Estos animales recibieron una o dos inyecciones de cocaína y ya, después de dos o tres días, vimos cambios anatómicos generalizados”.
“No es que algunas moléculas estén cambiando aquí o allá”, agregó. ?“El circuito se está reorganizando mucho antes y con mucha menos exposición a la droga de lo que nadie hubiera pensado”.
Si bien el estudio ha ayudado a dilucidar cuestiones de forma, función y dinámica en el sistema de dopamina, también presenta importantes cuestiones nuevas relacionadas con la exposición repetida y la adicción, así como con el tratamiento y la recuperación.
Principalmente, ¿puede el cerebro superar los reordenamientos estructurales introducidos por las drogas adictivas, en función de su plasticidad en otras áreas? Los resultados de esta investigación y la accesibilidad a poderosas herramientas de descubrimiento son la clave para responder este tipo de preguntas en el futuro.
Referencia: "El etiquetado específico del tipo de célula y los conectomas parciales de los circuitos dopaminérgicos revelan comunicación no sináptica y remodelación axonal a gran escala después de la exposición a la cocaína" por Gregg Wildenberg Es un autor correspondiente, Anastasia Sorokina, Jessica Koranda, Alexis Monical, Chad Heer, Mark Sheffield, Xiaoxi Zhuang, Daniel McGehee y Bobby Kasthuri, 29 de diciembre de 2022, ELIFE.
DOI: 10.7554 / eLife.71981
Otros autores del artículo fueron Anastasia Sorokina, Jessica Koranda, Alexis Monical y Chad Heer, junto con el asistente. Prof. Mark Sheffield, Prof. Xiaoxi Zhuang y Assoc. Prof. Daniel McGehee.
Financiamiento: Fundación McKnight, Institutos Nacionales de Salud, Fundación Nacional de Ciencias
