Los investigadores desarrollan un modelo informático para predecir el impacto de los receptores individuales en la actividad cerebral



Los investigadores consideran la distribución general de los receptores en el cerebro, el receptoma, como un nuevo enfoque para los modelos informáticos que reproducen la función del cerebro y para el diagnóstico y la terapia de los trastornos mentales.

En el cerebro, más de cien sustancias moleculares actúan como transmisores que controlan las vías de comunicación entre las células nerviosas a través de miles de tipos de receptores diferentes. En un artículo de revisión, un equipo de investigación internacional analiza cómo la activación de ciertos receptores de células nerviosas afecta las redes neuronales del cerebro. Los autores de la Ruhr-Universität Bochum (RUB), la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona y la Universidad de Oxford presentan conceptos para cuantificar las modulaciones específicas de los receptores de los estados cerebrales. También han desarrollado un modelo informático que puede predecir el impacto de los tipos de receptores individuales en la actividad cerebral.

Además, los investigadores muestran cómo las predicciones obtenidas en la computadora se pueden verificar y refinar mediante métodos experimentales. Esperan que esto conduzca a nuevas formas de diagnosticar y tratar los trastornos mentales. Informan sobre su trabajo y el estado actual de la investigación en una Revisión del estado del arte en el Diario FEBS, publicado por la Federación de Sociedades Bioquímicas Europeas en abril de 2021.

Simular la dinámica de los estados cerebrales en un modelo informático

Ya se sabe mucho sobre la estructura molecular de los receptores neuronales. Pero los investigadores saben poco sobre cómo los tipos de receptores individuales modifican la dinámica holística en las redes del cerebro. Para simular esto en un modelo de computadora, el equipo de investigación recopiló datos de tres técnicas de imagen diferentes: información sobre la conectividad anatómica en el cerebro, registrada con imágenes de resonancia magnética ponderada por difusión; información sobre la actividad en estado de reposo de los participantes, obtenida de mediciones utilizando imágenes de resonancia magnética funcional, fMRI para abreviar; y las distribuciones de tipos de receptores, registradas con tomografía por emisión de positrones. Con esta información, los investigadores pudieron crear un receptoma individual para cada sujeto que reflejaba la distribución general de los tipos de receptores en el cerebro.

Esto permitió a los investigadores simular interacciones entre neuronas dependientes de activaciones de tipos de receptores individuales en el modelo de computadora. Por ejemplo, virtualmente activaron el receptor de serotonina 5-HT2A y observaron los siguientes cambios en el cerebro modelo in-silico.

“Los patrones de actividad fueron sorprendentemente similares a los observados en el escáner después de que a los sujetos humanos se les administró psilocibina o LSD, ambas sustancias psicodélicas que se unen específicamente al receptor 5-HT2A”, explica el profesor asociado Dr. Dirk Jancke, director de Bochum Optical Imaging. Lab, autor principal del artículo de revisión. El modelo informático fue capaz de predecir cambios en la dinámica general del cerebro después de la activación de un solo tipo de receptor.

Prueba de predicciones en experimentos

Las sustancias farmacológicas no suelen ser específicas de un solo tipo de receptor; otro inconveniente es que no se pueden utilizar para activar neuronas localmente de forma dirigida. Esto significa que las predicciones y pruebas más complejas en seres humanos solo son posibles hasta cierto punto.

Por lo tanto, los autores proponen refinar sus hipótesis utilizando métodos optogenéticos y probarlos en experimentos con animales. El grupo de investigación dirigido por el coautor, el profesor Stefan Herlitze, del Departamento de Zoología General y Neurobiología de RUB, es uno de los pioneros de esta técnica. Los vectores virales se utilizan para instruir a las células para que produzcan determinadas proteínas. Con esta técnica, se puede hacer que los ratones modificados genéticamente, por ejemplo, produzcan receptores y proteínas activados por la luz que emiten fluorescencia cuando las células nerviosas están activas.

En estudios anteriores, los autores utilizaron el método por primera vez para mostrar cómo la serotonina afecta el procesamiento de la información visual. “Nuestros resultados sugieren que el receptor 5-HT2A suprime las entradas visuales actuales”, explica Dirk Jancke. “Los estímulos externos se vuelven menos importantes para el cerebro y, al mismo tiempo, los procesos internos se amplifican relativamente. Las alucinaciones podrían tener su causa en el hecho de que este desequilibrio se ha vuelto demasiado fuerte”.

Pronóstico, diagnóstico y potencial terapéutico

Las enfermedades mentales se basan a menudo en disfunciones de los sistemas transmisores y, en consecuencia, en cambios en la activación de varios receptores en el receptoma. Esto está asociado con modulaciones específicas de estados cerebrales, que pueden manifestarse en cambios sutiles en la dinámica de redes neuronales enredadas y extendidas en el cerebro. A través de su investigación, los científicos esperan iniciar nuevos conceptos utilizando biomarcadores para diagnosticar mejor y tratar más específicamente los trastornos mentales. “Son concebibles terapias farmacológicas específicas y técnicas de estimulación en combinación con tratamientos psiquiátricos concomitantes, que ayudan a aprender nuevos contextos para reequilibrar los estados patológicos del cerebro”, dice Jancke.

Fuente:

Referencia de la revista:

Jancke, D., et al. (2021) Reducir la brecha entre la actividad de un solo receptor y la dinámica de todo el cerebro. Diario FEBS. doi.org/10.1111/febs.15855.

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