El descubrimiento, presentado en la conferencia de la Sociedad para la Neurociencia en Chicago esta semana, es sólo un ejemplo de cómo una tecnología novel llamada optogenética está permitiendo a los científicos responder grandes preguntas aún sin respuesta relativas al cerebro, incluyendo el rol de ciertas regiones cerebrales específicas en la formación de la memoria, el proceso de la adicción, y la transición desde el estado de sueño a la vigilia.
La tecnología, desarrollada sólo hace cuatro años por Karl Deisseroth, físico y bioingeniero de Stanford, junto a Ed Boyden, actualmente bioingeniero en MIT, ya se está utilizando por cientos de laboratorios en todo el mundo. Gracias a unos ajustes moleculares y a los nuevos dispositivos de fibra óptica capaces de suministrar luz en las capas profundas del cerebro mediante el uso de un implante, los investigadores pueden utilizar la optogenética para estudiar el efecto de la estimulación neuronal en diferentes comportamientos de animales vivos.
Para hacer que las neuronas sean sensibles a la luz, los científicos las modifican genéticamente para que lleven una proteína adaptada del alga verde. Una vez que la neurona modificada se expone a la luz, a través del implante de fibra óptica, la proteína provoca una actividad eléctrica dentro de la célula que se traspasa a la siguiente neurona del circuito. Esta tecnología permite a los científicos controlar la actividad neuronal de forma mucho más precisas que con métodos anteriores, que por lo general requerían el suministro de la corriente eléctrica a través de un electrodo.
El equipo de Michael Hausser en University College London está usando la optogenética para probar la forma en que los recuerdos se almacenan en los cerebros de los ratones. Según el modelo básico de la formación de la memoria, el aprendizaje de una nueva asociación—como por ejemplo el sonido particular que precede a una descarga eléctrica—activa una subserie de neuronas en una parte del cerebro llamada hipocampo. “Se piensa que la activación del recuerdo se puede provocar por la activación de sólo una subserie de células en esa red,” afirma Hausser. “Sin embargo no existe ninguna evidencia experimental clara y directa para ninguno de los pasos en el proceso.”
Hausser y sus colaboradores modificaron genéticamente la proteína sensible a la luz para que sólo se expresase en las neuronas del hipocampo que resultasen activadas durante la formación de la memoria. Después, enseñaron al ratón a tener miedo de un sonido particular mediante su emparejamiento con una descarga eléctrica. Al oir el sonido el animal se congelaba del miedo—y provocaba la produción de la proteína en las células del cerebro activadas.
Al día siguiente, los investigadores hicieron brillar luz azul el hipocampo del animal. Eso provocó una actividad sólo en la subserie de células que se activaron durante la formación de la memoria el día anterior, provocando que el animal se congelase en respuesta a la luz, en vez de al sonido. Los investigadores también etiquetaron estas células con un marcador fluorescente, permitiendo así poder contar el número de células involucradas en la creación del recuerdo. “Una cantidad significativamente pequeña de neuronas en estos animales son suficientes para provocar el recuerdo, del orden de 100 a 200 células,” afirma Hausser.
Además de para arrojar luz sobre los aspectos más básicos del cerebro, los investigadores están utilizando la tecnología para comprender mejor ciertas enfermedades como la depresión, el Parkinson, y la adicción, con la esperanza de poder mejorar los tratamientos. La enfermedad de Parkinson, por ejemplo, se puede tratar utilizando la estimulación profunda del cerebro, mediante la que un electrodo implantado quirúrgicamente distribuye unos pulsos a una estructura específica en la parte profunda del cerebro. Sin embargo este procedimiento es muy intrusivo y lleva consigo efectos secundarios como la depresión o la disfunción cognitiva. A principios de este año, el equipo de Deisseroth publicó los detalles de la investigación utilizando los interruptores de luz para estudiar los circuitos cerebrales involucrados en la enfermedad de Parkinson. Descubrieron que eran capaces de aliviar los déficits motores en animales con síntomas parecidos al Parkinson mediante la activación neuronal de objetivos mucho más cercanos a la superficie del cerebro.
nLos descubrimientos destapan la posibilidad de utilizar métodos no intrusivos para la estimulación del cerebro en el tratamiento de pacientes con Parkinson, algo que Deisseroth y sus colaboradores están explorando en la actualidad. La estimulación magnética transcraneal (TMS, en sus siglas en inglés), es un método para activar partes del cerebro mediante el uso de un imán colocado sobre el cuero cabelludo, y ya ha sido aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos para tratar la depresión. Sin embargo los estudios de la utilización de la TMS para el tratamiento del Parkinson han dado resultados desiguales, probablemente porque “la gente ha estado investigando las distintas partes del cerebro, sin haber seguido la guía de un tipo de conocimiento como este,” afirma Deisseroth. En un nuevo estudio, los investigadores utilizarán primeramente unos sofisticados métodos de obtención de imágenes cerebrales para intentar identificar el los pacientes de Parkinson la correlación humana del punto identificado en los estudios con animales—el área exacta probablemente varíe con cada persona—y después enfocar la estimulación específicamente en esa región.
Los científicos también están utilizando la optogenética para estudiar la depresión, otra enfermedad que se puede tratar con la estimulación eléctrica. Esperan poder descubrir las áreas del cerebro responsables de los distintos síntomas asociados con la depresión, tales como la fatiga, la pérdida de esperanza y la falta de placer en las actividades diarias.
Herbert Covington, investigador del laboratorio Eric Nestler en la Escuela de Medicina de Mount Sinai, en Nueva York, hizo que las neuronas en el cortex prefrontal de un grupo de ratones estresados fueran sensibles a la luz. Después estimuló las neuronas de los animales utilizando una luz suministrada con un patrón similar al visto en los ratones sanos cuando exploran un nuevo ento o. Al igual que con los antidepresivos, el tratamiento de luz hizo que los animales que previamente sufrían miedo pudiesen socializarse normalmente con otros ratones.
“La depresión es una mezcla compleja de comportamientos,” afirma Covington. “La estimulación del cortex prefrontal puede restituir un comportamiento social. Lo siguiente que haremos será observar si puede restaurar la actividad—si los ratones decidirán hacer cosas que les hagan sentirse recompensados, lo que a menudo es un problema de la depresión.” Los descubrimientos puede que finalmente permitan a los investigadores desarrollar tratamientos para atacar aspectos específicos de la enfermedad.
No está aún claro si la tecnología optogenética se convertirá en un tratamiento por sí mismo o si su mayor impacto vendrá dado por haber arrojado luz sobre las enfermedades. Hay dos grupos que ya se están enfocando en tratamientos potenciales: Ed Boyden en MIT ha fundado una startup para utilizar la optogenética en la restauración de la vista en pacientes con enfermedades de la visión, haciendo que las células dañadas de la retina sean sensibles a la luz, y una startup salida de la Universidad Case Weste Reserve en Cleveland, Ohio, tiene planeado comercializar la tecnología para restaurar el control del riñón en las personas que sufren de parálisis.