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     Última actualizacón: 7 diciembre 2016 a las 13:35

Esta entrada participa en la II edición del Carnaval de Neurociencias

La segunda edición del carnaval de neurociencias nos plantea a los participantes hablar acerca del descubrimiento más importante en la historia de la neurociencia. Estarán de acuerdo conmigo en que elegir el “descubrimiento” más importante de cualquier disciplina científica es un reto abrumador, mayor aún si tenemos en cuenta el campo de la ciencia que estamos tratando. En cualquier caso, aún a riesgo de dejar de lado acontecimientos muy relevantes, he optado por centrar la presente aportación en una técnica relativamente reciente que ha experimentado un avance acelerado y se ha convertido en parte fundamental del trabajo diario en cientos de laboratorios de todo el mundo. Voy a hablar de la optogenética.

Desde que D. Santiago Ramón y Cajal revolucionara la neurociencia con sus trabajos de tinción de neuronas, demostrando que el tejido cerebral está compuesto por células individuales —lo que ha venido a llamarse “doctrina de la neurona”—, los investigadores han asumido que para entender la forma en la que nuestro cerebro procesa la información que recibe de los sentidos, es capaz de pensar o memorizar, es preciso conocer a fondo los circuitos neuronales. Hoy en día somos capaces de visualizar poblaciones enteras de células y las conexiones sinápticas que se forman entre ellas, pero la dificultad reside en saber cómo se transmite la información a través de las sinapsis individuales, y la forma en la que los diferentes tipos de neuronas y sus conexiones dan lugar a las redes funcionales que llevan a cabo tareas como recordar dónde hemos dejado el coche, saber si un café está demasiado caliente o comprender que alguien nos está gastando una broma.

La forma habitual de afrontar este problema ha partido de identificar qué neuronas se activan al mostrar al sujeto de estudio una imagen, un sonido o un aroma. A continuación se determina el trayecto que sigue la señal y se miden las señales eléctricas detectadas en esas posiciones. Conocidos estos datos podemos concluir que esas neuronas están directamente implicadas en el procesamiento de la información percibida.

Pero ahora sabemos que las señales sensoriales sufren importantes cambios mientras se alejan de los ojos, oídos o nariz, lo que aumenta la dificultad para saber qué señales corresponden a las respuestas de tales órganos.

Por otro lado, nuestra capacidad para comprender los circuitos neuronales ha mejorado de forma notable gracias a la resonancia magnética funcional (RMf). Esta técnica proporciona mapas detallados de la actividad neuronal en respuesta a diversos estímulos, aunque en realidad solo muestra los cambios en los niveles de oxígeno de la sangre de diferentes regiones del cerebro, cambios que representan sólo de forma aproximada la verdadera actividad neuronal…

Francis Crick hizo esta afirmación en un artículo publicado en 1979 ¹. Para él, la mayor dificultad a la que se enfrentaba la neurociencia era poder ejercer el control sobre un cierto tipo de neuronas sin afectar a otras para comprender su funcionamiento. Los métodos disponibles hasta el momento no permitían ni de lejos ese tipo de detalle. Por ejemplo, los estímulos eléctricos (mediante electrodos implantados en el cerebro) actúan sobre todas las neuronas sin distinguir entre tipos celulares. La idea que planteó Crick hace más de 30 años ya es una realidad.

Karl Deisseroth  ², uno de los inventores de esta técnica, explica que la optogenética combina los conocimientos en genética y óptica para controlar sucesos específicos en el interior de determinadas células de un tejido vivo (no solo de las neuronas) mediante la inserción de unos genes concretos que las convierten en fotosensibles. La optogenética comprende además las técnicas que permiten suministrar luz al cerebro, dirigir el efecto de la luz hacia los genes y células de interés y la evaluación de los resultados.

Los principales investigadores en este campo han sido galardonados con importantes premios, y en 2010 la propia técnica fue elegida método del año por la prestigiosa revista Nature Methods, y uno de los principales descubrimientos de la década.

¿Qué es la optogenética?

El funcionamiento del cerebro (y con él, del sistema nervioso central) depende de la conectividad de las neuronas operada a través de mensajes bioquímicos o eléctricos: la transmisión eléctrica se basa en la generación de potenciales de acción; mientras que la transmisión bioquímica descansa en la liberación de neurotransmisores.

No profundizaremos mucho en este mecanismo pero para entender la utilidad de la optogenética es necesario conocer, al menos de forma elemental, cómo se produce esa transmisión de información. Su propagación se debe a la diferencia de potencial que se genera por las distintas concentraciones de iones a ambos lados de la membrana celular (principalmente iones de Sodio (Na+) Potasio (K+), Calcio (Ca2+), Magnesio (Mg2+) y Cloro (Cl-). De esta forma, se origina una diferencia de carga eléctrica de unos -70 mV (denominado potencial de reposo).

Cuando se aplica un estímulo sobre una neurona se produce una entrada masiva de cationes de Sodio y Calcio en la neurona, mientras que el Potasio sale de ella. Esto se traduce en un cambio muy rápido en la polaridad de la membrana de negativo a positivo y vuelta a negativo, en un ciclo que dura unos milisegundos. La diferencia entre ambos estados es aproximadamente de 120 mV y ello genera (o dispara) un potencial de acción que se transmite a lo largo del axón neuronal (para hacernos una idea, este voltaje es menos de la décima parte del que posee una pila LR06 de las que tenemos en casa).

Cuando ese potencial de acción alcanza la terminación del axón provoca que las vesículas cargadas con neurotransmisores (los mensajeros bioquímicos) liberen su contenido al espacio extracelular.

El inconveniente a la hora de estudiar este complicado proceso surge porque el tejido neuronal está formado por células de varios tipos. Dado que las interacciones entre los tipos concretos de neuronas es la base del procesamiento de la información nerviosa, si queremos comprender el funcionamiento de un circuito específico tendremos que ser capaces de identificar y observar cada participación individual y señalar en qué momento se activan (generan un potencial de acción) y se desactivan. Lograr esto con las técnicas anteriores era imposible.

Pero ¿y si fuera posible ver esa comunicación neuronal individualizada? La optogenética nació cuando se cayó en la cuenta de que la manipulación genética podía ser la clave para resolver el problema que planteaba la tinción o estimulación indiscriminada de neuronas. Aunque todas las células de un individuo tienen los mismos genes, su activación o desactivación sigue unas pautas concretas en función de la ubicación y función de cada célula.

Con estas palabras definió el equipo del doctor Karl Deisseroth el término “optogenética” cuando lo utilizó por primera vez en un artículo publicado en el año 2006 en el Journal of neuroscience ³.

Y lo cierto es que el mecanismo parece sencillo. Lo primero que necesitamos es hacer que nuestras neuronas objetivo sean sensibles a la luz. Desde hace unos cuarenta años se sabe que algunos microorganismos producen proteínas que regulan el flujo de cargas eléctricas (los famosos iones de los que hemos hablado) a través de sus membranas en respuesta a la luz visible. Estas proteínas, cuya síntesis depende de un conjunto de genes de opsinas, ayudan al microorganismo a extraer energía e información de la luz del entorno, y ahora nos ayudan a nosotros a desentrañar los misterios de nuestro sistema nervioso. Los distintos tipos de opsinas se diferencian en cuanto a la fotosensibilidad y al comportamiento.

Adaptado de Zhang, F., et al. (2010) y Deisseroth, K. (2011).

Chlamydomonas reinharatii es un alga unicelular móvil, dotada de un par de flagelos que le permiten nadar en agua dulce. Volvox carteri es un alga estrechamente relacionada con Chlamydomonas y posee cientos de células que adoptan la forma de una colonia globular. Por último, Natronomonas pharaonis es una arqueobacteria que vive solo en aguas hipersalinas.

En la imagen superior vemos como la canalorrodopsina ChR2 permite el paso de los iones de sodio en respuesta a la luz azul. La canalorrodopsina VChR1 responde a algunas longitudes de onda de la luz amarilla y verde, mientras que la halorrodopsina NpHR regula el flujo de iones de cloro en respuesta a la luz amarilla.

Una vez que disponemos de los genes de opsinas y conocemos su funcionalidad, el siguiente paso es insertarlos en las neuronas diana con la ayuda de virus modificados que actúan como vectores. Primero se combina un gen de opsina con un promotor (el elemento que hará que el gen se active únicamente en un tipo de célula específico). En segundo lugar se introduce el gen modificado en un virus que a su vez se inyecta en el cerebro, por ejemplo, de un ratón de laboratorio. El virus infectará un gran número de neuronas, pero gracias al promotor (que se convierte así en una especie de guía laser), sólo un tipo de ellas sintetizará la proteína opsina. No tenemos más que desencadenar la actividad neuronal mediante destellos de luz y observar los efectos en el comportamiento de los animales de experimentación.

Adaptado de Hausser, M. (2014).

La optogenética se puede aplicar en todos los niveles de la función cerebral. Una variedad de aplicaciones utilizan sondas optogenéticas tanto para leer como manipular la actividad, lo que proporciona una poderosa herramienta para establecer vínculos causales entre estos niveles.

Además, las ventajas de usar la luz como desencadenante son evidentes: no es invasiva, se puede dirigir con gran precisión espacial y temporal, y se puede utilizar de forma simultánea en diferentes localizaciones y longitudes de onda. De hecho, se han identificado un grupo de proteínas que permiten la activación o inactivación de distintas neuronas con milisegundos de precisión.

Por ello, gracias a este “interruptor genético” accionado por la luz podemos encontrar todas las neuronas que nos interesen (las que producen dopamina, por ejemplo) y controlarlas sin necesidad de saber de antemano dónde están.

Su importancia para la sociedad

La optogenética se ha empleado en diversos modelos animales para cartografiar las proyecciones neuronales, examinar la plasticidad neuronal y llevar a cabo simulaciones en los circuitos relacionados con diferentes enfermedades.

Esta técnica ha traído consigo por ejemplo una importante mejora de nuestro conocimiento sobre la enfermedad de Parkinson. Algunos pacientes con Parkinson han experimentado cierto alivio de los síntomas gracias a la estimulación cerebral profunda, una técnica que aplica una estimulación eléctrica leve de alta frecuencia en una zona específica del tálamo —el globo pálido o el núcleo subtalámico— por medio de un electrodo implantado en el encéfalo.  Su función es enviar una señal eléctrica a estas áreas específicas del cerebro que controlan el movimiento, bloqueando de esta forma las señales nerviosas anormales.

Sin embargo, se ha comprobado que las ventajas de esta técnica son limitadas porque los electrodos estimulan también las neuronas colindantes de forma no selectiva incluso cuando los electrodos se colocan con precisión milimétrica. Esta electroestimulación puede modular células mucho más distantes al actuar sobre las fibras de paso, y desconocemos los efectos que esto puede tener a largo plazo.

La optogenética ha permitido comprender (aunque todavía en modelos animales) que la estimulación cerebral profunda resulta más efectiva cuando no va dirigida a las células sino a las conexiones entre ellas, lo que modifica el flujo de actividad entre las regiones del cerebro. Gracias a la precisión que ofrece ha sido posible realizar una cartografía funcional de dos rutas diferentes en los circuitos cerebrales vinculados al movimiento: una que ralentiza los movimientos y otra que los acelera. Este conocimiento podría contrarrestar los síntomas de la enfermedad de forma más efectiva y duradera.

Conclusiones

Como sucede siempre que se abre un nuevo campo de investigación, la mejora pareja de la tecnología amplía enormemente su potencial. Por ejemplo, se han desarrollado instrumentos para medir las señales eléctricas obtenidas mediante optogenética —con una precisión de milisegundos— en los que se han integrado fibra óptica y electrodos (llamados “optodos”). Del mismo modo, el uso conjunto de la optogenética y la RMf permite cartografiar circuitos neuronales funcionales con una precisión y una integridad imposibles de conseguir mediante electrodos o medicamentos.

Así, al conocer la forma de actuación de los circuitos neuronales sanos, se podrá aplicar ingeniería inversa para identificar las propiedades alteradas en las enfermedades psiquiátricas y neurológicas, con lo que se facilitará el desarrollo de tratamientos que restablezcan la normalidad en esos circuitos.

En definitiva, como sostiene Deisseroth, la optogenética está contribuyendo a que la psiquiatría adopte un enfoque próximo a la ingeniería de redes, en el que las funciones complejas del cerebro (y los comportamientos que generan) se interpretan como propiedades del sistema que surgen de la dinámica electroquímica de las células y de los circuitos que lo componen. Ahora podemos comprender de forma más completa los mecanismos subyacentes a trastornos como la ansiedad o el autismo, lo que sin duda facilitará la búsqueda de soluciones terapéuticas.

Referencias

Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Working Group Report to the Advisory Committee to the Director, NIH

Crick, F. H. (1979), «Thinking about the brain». Scientific American, vol. 3, núm. 241, p. 219-232.

Deisseroth, K., et al. (2006), «Next-generation optical technologies for illuminating genetically targeted brain circuits«. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience, vol. 26, núm. 41, p. 10380-10386.

Deisseroth, K. (2011), «Control del cerebro por medio de la luz». Investigación y Ciencia, núm. 412, p. 22-29.

Ferrús, A. (2007), Viaje al universo neuronal: unidad didáctica. Madrid: Fundación Española para la Ciencia y la Tecnologia, 276 p.

Hausser, M. (2014), «Optogenetics: the age of light«. Nat Meth, vol. 11, núm. 10, p. 1012-1014.

Nan, L. y  Peng, M. (2014), «Let there be light: a tutorial on optogenetics«. Pulse, IEEE, vol. 5, núm. 4, p. 55-59.

Reiner, A. y Isacoff, E. Y. (2013), «The Brain Prize 2013: the optogenetics revolution». Trends in Neurosciences, vol. 36, núm. 10, p. 557-560.

Zhang, F., et al. (2010), «Optogenetic interrogation of neural circuits: technology for probing mammalian brain structures«. Nature protocols, vol. 5, núm. 3, p. 439-456.

Notas