Lineas de Investigación

Dinámica funcional sub-celular

La diferenciación neuronal requiere de la función de la vía secretora y del citoesqueleto en neuronas y glia. En este contexto, es fundamental entender cómo las estructuras dinámicas de la vía secretora y el citoesqueleto se organizan en diferentes tipos celulares del sistema nervioso, y cómo esta organización determina la función o disfunción neuronal. Hemos desarrollado metodologías para analizar los componentes subcelulares en cultivos neuronales y astrocitos a alta resolución espacio-temporal y en condiciones neuropatológicas donde los organelos y funciones del citoesqueleto están dramáticamente afectadas. Ahora combinamos la manipulación de la expresión génica en cultivo de células cerebrales con el uso de organismos genéticamente modificados para estudiar: (i) la organización morfo-funcional del retículo endoplásmico y las consecuencias de la alteración de su estructura en el tráfico de proteínas y enfermedad humana (XBP-1/ATF4 deficiente), (ii) el rol de proteínas recientemente identificadas (Marlin1) en la organización del citoesqueleto, (iii) la activación espacio-temporal de moléculas de señalización río abajo de los receptores de adhesión celular que rigen los cambios en astrocitos y la morfología neuronal durante neurodegeneración e injuria. Esta estrategia proporciona una visión cuantitativa de estructuras dinámicas subcelulares y sus implicancias.

S. Härtel, A. Couve, M. Concha, C. Hetz, J. Sierralta y P.Olguín

Identidad y la morfología celular

Las características morfo-funcionales de neuronas diferenciadas definen la estructura básica sobre la que se establece su conectividad. Estas características determinan cómo las señales eléctricas se forman para representar elementos simples de comunicación célula-célula e integrarlos en sofisticados dispositivos computacionales. La morfogénesis neuronal está íntimamente ligada al control de la especificación y diferenciación celular. Una pregunta central es cómo la expresión de genes determina las características morfofuncionales durante el desarrollo y la vida de las neuronas. Hemos combinado microscopía fluorescente y expresión exógena en Drosophila (RNAi en pequeños grupos de neuronas), ratones (siRNA entregados por electroporación in útero a la corteza en desarrollo), y pez cebra (electroporación cerebral de morfolinos en embriones) para entender mecanismos genéticos implicados en el control de la morfología neuronal. Ahora combinamos estos modelos experimentales con electrofisiología y herramientas para cuantificar las características estructurales de las células y las redes neuronales para estudiar el papel de: (i) el control transcripcional por complejos remodeladores de la cromatina en la adquisición y mantenimiento de la morfología neuronal (REST/NRSF y CoREST ), y (ii) nuevos genes identificados por sondeos genéticos en Drosophila y pez cebra, y moléculas candidatas que participan en la dinámica citoesquéletica durante la morfo-funcionalidad neuronal (Marlin1). Esta estrategia proporciona una visión comparativa para disectar el papel de genes conservados en el establecimiento de la forma y conectividad neuronal.

M. Concha, J. Sierralta, C. Hetz, S. Hartel y P. Olguín

Desarrollo supra-celular y de circuitos

La transformación supra-celular de la morfogénesis del cerebro implica la reorganización de los agregados multicelulares en núcleos y capas, y la migración de los conos de crecimiento axonal para establecer la conectividad. Cómo se logra esto in vivo es aún poco conocido. Es fundamental entender cómo la actividad de los genes se traduce en morfogénesis del cerebro, y cómo la adquisición de nuevos estados de organización supra-celular y conectividad a su vez influyen en los patrones y la función cerebral. Abordamos estas interrogantes utilizando peces transgénicos, enfoques genéticos, cultivos organotípicos de hipocampo, visualización confocal 3D in vivo y análisis de morfo-funcionalidad neuronal, para estudiar: (i) los mecanismos celulares que controlan los cambios en la adhesión, la tracción y de polaridad que conducen a la migración celular, la formación de capas celulares y los núcleos del cerebro, y la cicatrización de heridas, (ii) los mecanismos genéticos y morfogenéticos que guían los conos de crecimiento axonal y establecen la conectividad neuronal in vivo, centrado en Wnt/PCP, FGF, quimioquinas, Robo/Slit y neurogénesis, y (iii) la configuración dinámica y correlación funcional de los circuitos neuronales usando sondas optogenéticas y electrofisiología in vivo. Esta estrategia proporciona una visión contextual de los mecanismos que guían la forma, estructura y desarrollo de circuitos neuronales, revelando los principios generales de la organogénesis y función del cerebro.

S. Hartel, A. Couve, M. Concha, J. Sierralta, M Kukuljan, JL Valdes

Plasticidad y comportamiento

La plasticidad sináptica del hipocampo es una respuesta asociada con el aprendizaje y la memoria, e implica modificaciones duraderas en la eficacia de la transmisión sináptica. Señales de Ca2+ postsinápticas citoplasmáticas y nucleares son necesarias para la potenciación de largo plazo (LTP), que desata cascadas de señalización que activan reguladores de la transcripción y promueven la expresión de genes para mantener la plasticidad sináptica durante largos períodos y alterar los ensamblajes neuronales. En este contexto, una pregunta esencial es cómo las interacciones genéticas y las vías de señalización controlan la memoria a largo plazo. Hemos establecido metodologías para estudiar el papel de los receptores de rianodina (RyR) dependiente de señales de Ca2+ en LTP de hipocampo y comportamiento (laberintos, reconocimiento de objetos y el condicionamiento al miedo contextual). Mediante la combinación de estos enfoques con biología celular y molecular, imágenes de células vivas y la electrofisiología (estudios de canal único en bicapas, electrofisiología de alta densidad en animales en movimiento libre) estudiamos: (i) el efecto de la actividad RyR en la expresión de ARNm y proteínas relacionados con plasticidad y el papel de las señales de Ca2+ generados por RyR en el LTP (a través de la farmacología, la entrega dentro de hipocampo de nucleótidos antisentido o shRNAs), (ii) el efecto del aprendizaje, neuromoduladores, y los moduladores de RyRs en la dinámica del ensamblaje de neuronas del hipocampo, y (iii) sus correlatos conductuales.

A. Couve, C. Hetz, C Hidalgo

Neurociencia de sistemas

Aunque la mayoría de los paradigmas utilizados para examinar los mecanismos neuronales de las funciones cognitivas han utilizado estímulos simples y controlados, las respuestas de las neuronas a situaciones complejas y más ecológicas son sustancialmente diferentes. Dado que los modelos actuales de organización funcional fallan en predecir la actividad neuronal en condiciones experimentales más realistas, es fundamental examinar, comparar y modelar la actividad neuronal de animales y seres humanos envueltos en paradigmas más ecológicos de comportamiento experimental y trastornos psiquiátricos clásicos. Ahora examinamos la actividad neuronal mediante grabaciones con unidades únicas o múltiples, potenciales de campo locales y grabaciones electroencefalográficas en: (i) conducta dirigida a la meta o (ii) conducta natural. Desarrollamos nuevas herramientas analíticas y estadísticas para el procesamiento de señales y proponemos nuevos modelos para dar cuenta de mecanismos «top-down» en la función cognitiva.

S. Hartel, P Maldonado, H Silva, P Délano

Matemáticas aplicada e informática biomédica

Una comprensión más profunda de los principios arquitectónicos y funcionales de los procesos neuronales, desde niveles sub-celulares a supra-celulares, así como la decodificación de la comunicación con patrones fisiológicos y de comportamiento requiere un enfoque transdisciplinario. La biofísica y las matemáticas aplicadas en combinación con imágenes avanzadas y la informática fomentan una visión integrada para estudiar el diseño dinámico de las estructuras biológicas y sus patrones funcionales. El objetivo central es descubrir nuevos procesos neuronales basados en modelos matemáticos que revelan principios morfo-funcionales de la organización en múltiples escalas. Estas herramientas permiten el estudio de los patrones de organización morfo-topológicas de las neuronas en 2/3D y colocalización en compartimentos subcelulares específicos. BNI fomenta nuevos enfoques para: (i) localizar/seguir proteínas dentro de los organelos subcelulares, (ii) estudiar estructura dendrítica y el cableado axonal (iii) modelar descriptores celulares y supra-celulares para la formación de rosetas multi-celulares basadas en ecuaciones de derivadas parciales, (iv) la elaboración de estadísticas para estudiar trenes de espigas en registros múltiples, (v) modelar ensamblajes neuronal para dar cuenta de la actividad durante comportamientos naturales, y (vi) aplicar las herramientas matemáticas para la imagen basada en teleanálisis en la investigación clínica y la medicina de diagnóstico.

S. Hartel, P Maldonado, H Silva, A. Couve, M. Concha, J. Sierralta, P Délano,

Disfunción neural y dianas farmacológicas

Esta plataforma transversal fomenta un enfoque genético/farmacológico/funcional in vivo centrado en evaluar el papel de los genes relacionados con enfermedades comunes en los procesos celulares que conducen a la conectividad neuronal y la formación de sinapsis. La alteración de estos procesos produce fenotipos patológicos que afectan la funcionalidad neuronal. El objetivo principal de la plataforma es desarrollar conocimientos, competencias y enfoques tecnológicos para lograr una mejor comprensión de los mecanismos por los cuales los genes relacionados con enfermedades afectan procesos moleculares, celulares y fisiológicos comunes involucrados en condiciones neuropatológicas, recibiendo aportes científicos de cada una de las líneas de investigación realizadas en BNI. Por lo tanto, implementamos modelos de enfermedades para imitar las condiciones asociadas con patologías humanas, incluyendo ratones transgénicos, terapia génica, y enfoques de biología celular, además de los estudios en humanos, para descubrir aspectos patológicos relacionados con: (i) la enfermedad de Parkinson, (ii) la enfermedad de Alzheimer, (iii) daño nervioso/regeneración y la esclerosis amiotrófica lateral, (iv) la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ), y (v) la epigenética mediante la caracterización de los efectos a corto ya largo plazo de insultos metabólicos que ocurren al nacer. Definimos las consecuencias de la manipulación genética del modelo de enfermedad e identificamos nuevos blancos de intervenciones farmacológicas. Los objetivos científicos se benefician de análisis matemáticos para modelar rasgos complejos relacionados con la disfunción neuronal.

S. Hartel, P Maldonado, J.Matamala

La investigación clínica y creación de nuevas capacidades

El entorno y la conectividad del BNI ofrece una rica gama de oportunidades de investigación clínica en Neurociencia, basado en el acceso a pacientes, muestras, registros fiables y médicos motivados. Anteriormente, estas oportunidades no han logrado el desarrollo esperado en Chile debido a la dispersión de recursos, falta de canales eficaces de interacción de los médicos con las estructuras de gestión científica y escaso acceso a tecnología avanzada. Un objetivo central del BNI es el desarrollo y la consolidación de la investigación clínica y creación de capacidades en el estudio de patologías neurológicas y psiquiátricas. BNI proporciona plataformas para resolver los déficit mencionados mediante el establecimiento de un programa centrado en la formación de científicos y especialistas clínicos con las normas internacionales de competencia y mediante la definición de proyectos específicos, incluyendo: (i) desarrollo de herramientas de diagnóstico como marcadores moleculares en el CJD y marcadores genéticos/moleculares para la predicción temprana en tratamientos anti-depresivos, (ii) enfoques terapéuticos como la terapia génica y moléculas pequeñas en ALS y Parkinson, (iii) comparación genética de los pacientes con trastornos bipolares, y (iv) espectro autista y alteraciones del desarrollo neural.

J.Matamala, A. Couve, M. Concha, C. Hetz, JL Valdes

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