Nuestros cerebros están formados por decenas de miles de millones de células nerviosas llamadas neuronas. Estas células se comunican entre sí a través de biomoléculas llamadas neurotransmisores.
por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
La serotonina, un tipo de neurotransmisor, es producida por las neuronas de serotonina en nuestro cerebro e influye en muchas de nuestras funciones cognitivas y conductuales, como la memoria, el sueño y el estado de ánimo.
Utilizando ratones, los científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) y sus colaboradores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Keio han estudiado la principal fuente de serotonina en el cerebro: el núcleo dorsal del rafe (DRN). Al estudiar por primera vez cómo la activación del «centro de serotonina» del cerebro afecta a los animales despiertos, descubrieron que la serotonina del DRN activa áreas del cerebro que afectan el comportamiento y la motivación.
«Aprender sobre el sistema de serotonina del cerebro puede ayudarnos a comprender cómo adaptamos nuestros comportamientos y cómo funcionan los medicamentos de terapia del estado de ánimo. Pero fue difícil estudiar cómo la serotonina del DRN afecta a todo el cerebro. En primer lugar, porque la estimulación eléctrica del DRN también puede activar neuronas que no usan serotonina para comunicarse entre sí y, en segundo lugar, el uso de drogas puede afectar otras serotoninas en el cerebro», explicó el Dr. Hiroaki Hamada, ex Ph.D. estudiante de la Unidad de Computación Neural de OIST.
El Dr. Hamada es el autor principal de un artículo sobre este estudio publicado en la revista Nature Communications .
Estudios anteriores realizados por investigadores de la Unidad de Computación Neural han demostrado que las neuronas de serotonina en el DRN promueven comportamientos adaptativos en ratones asociados con recompensas futuras. El Dr. Hamada y sus colaboradores querían comprender los mecanismos del cerebro que causan estos comportamientos adaptativos.
«Sabíamos que la activación de la serotonina DRN tiene fuertes efectos sobre el comportamiento, pero no sabíamos cómo esta activación de la serotonina afecta a diferentes partes del cerebro», afirmó el profesor Kenji Doya, líder de la Unidad de Computación Neural.
Observando la respuesta de todo el cerebro a la activación de la serotonina DRN
Los investigadores utilizaron una técnica novedosa llamada resonancia magnética optofuncional para abordar esta cuestión. Utilizaron un método llamado optogenética para activar selectivamente las neuronas de serotonina en el DRN con luz y observaron la respuesta de todo el cerebro mediante resonancia magnética funcional (imágenes por resonancia magnética).
Utilizaron el último escáner de resonancia magnética con un fuerte campo magnético para lograr la alta resolución necesaria para estudiar los pequeños cerebros de los ratones. Los ratones fueron colocados en un escáner de resonancia magnética y se estimularon las neuronas de serotonina a intervalos regulares para ver cómo esto afectaba a todo el cerebro.
Descubrieron que la estimulación de la serotonina DRN provoca la activación de la corteza cerebral y los ganglios basales, áreas del cerebro involucradas en muchas funciones cognitivas. Este resultado fue muy diferente de un estudio anterior realizado bajo anestesia. Además, la respuesta del cerebro a la estimulación de la serotonina está fuertemente relacionada con la distribución de los receptores de serotonina (proteínas activadas por la serotonina) y los patrones de conexión de las neuronas de serotonina DRN.
«Vemos claramente en las imágenes de resonancia magnética de alto campo qué áreas del cerebro se activan y desactivan durante el estado de vigilia y bajo anestesia cuando activamos las neuronas de serotonina en el DRN», dijo el Dr. Hamada. «Un estudio anterior demostró que la corteza cerebral y los ganglios basales se desactivaban en su mayor parte bajo anestesia, lo cual también observamos. Sin embargo, en estados de vigilia, estas áreas se activan significativamente».
La corteza cerebral y los ganglios basales son partes del cerebro fundamentales para muchos procesos cognitivos, incluida la actividad motora y las conductas para obtener recompensas como comida y agua. Por tanto, la activación de las neuronas serotoninérgicas DNR puede provocar cambios en la motivación y el comportamiento.
Paciencia y estimulación de tu propia serotonina.
La combinación de la nueva técnica de resonancia magnética de alto campo y la optogenética presentó muchos obstáculos que el Dr. Hamada tuvo que superar. «Introdujimos y adaptamos un método utilizado anteriormente por nuestros colaboradores y establecimos muchos procedimientos nuevos en OIST. Para mí, el principal desafío fue usar la nueva máquina de resonancia magnética en ese momento, por lo que necesitaba tener paciencia y estimular mi propia serotonina. Empecé hacer mucho ejercicio después de eso», dijo.
Ver activaciones en la DRN por primera vez fue un momento destacado para el Dr. Hamada. Al principio utilizó la misma intensidad de luz que usaban sus colaboradores, pero era demasiado débil para ver las respuestas cerebrales en la resonancia magnética. Luego utilizó fibras ópticas más grandes y aumentó la intensidad para estimular los DRN.
El profesor Doya señaló que el siguiente hito importante a alcanzar es comprender exactamente cómo se produce esta activación de la serotonina en todo el cerebro. «Es importante descubrir cuál es el mecanismo molecular real que permite esta activación en nuestro cerebro. Las personas que deseen mejorar su comportamiento y pensamiento en diferentes situaciones también podrían encontrar útil aprender más sobre cómo la serotonina ayuda a controlar nuestro estado de ánimo. «.
Más información: Hiro Taiyo Hamada et al, La activación optogenética de las neuronas serotoninérgicas del rafe dorsal induce la activación cerebral, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48489-6
