Compuesto por miles de millones de neuronas, el cerebro procesa una gran cantidad de información procedente de nuestros sentidos y órganos. Es más, a veces ni siquiera somos conscientes de toda la información que nuestro cerebro recibe, tanto de nuestro entorno como de nuestro propio cuerpo. Por ejemplo, el sistema nervioso recibe y procesa información sobre el estado de contracción y estiramiento de nuestros músculos, de la posición en el espacio de nuestra cabeza, e incluso de la brisa de aire que toca nuestra piel, etcétera. Por si fuera poco, el cerebro genera pensamientos, emociones y es capaz de solucionar problemas que se nos presentan a diario. Sin embargo, a pesar de lo complicado que es entender al cerebro, los científicos han descubierto algunas propiedades y reglas de operación. Por ejemplo, ahora sabemos que las neuronas generan actividad eléctrica, la cual es necesaria para transmitir la información y generar una respuesta. Uno de los ejemplos más sencillos ocurre cuando tocamos con una mano una superficie muy caliente. Entonces, la información surgida de receptores que se localizan en la piel, responde a la temperatura elevada y se activa enviando impulsos eléctricos a través de un circuito neuronal compuesto por solo algunas neuronas. Estas neuronas envían en cuestión de milisegundos un comando al sistema nervioso, cuya finalidad es la de contraer ciertos músculos y retirar la mano. Aquí surge otro concepto importante sobre la organización del sistema nervioso: las neuronas se organizan en circuitos neuronales. Podemos imaginar a estos circuitos como una inmensa red interconectada, pero que además tiene la capacidad de redirigir e incrementar su “cableado”, como cuando aprendemos un nuevo idioma o a tocar un instrumento. Pero desafortunadamente, también puede perder las conexiones entre sus elementos, lo que sucede en padecimientos como el Alzheimer. Esto quiere decir que las neuronas no se conectan de manera aleatoria con cualquier otra, sino con neuronas específicas que forman módulos de procesamiento de información. Sin embargo, cuando los circuitos neuronales fallan, se pueden generar enfermedades como la epilepsia, el Parkinson y la depresión, por mencionar sólo algunas. En resumen, podemos darnos cuenta de la gran complejidad que supone el estudio del cerebro, y más aún, estudiar algún grupo de neuronas en particular.
Imagen tomada de Julie Pryor, en flickr.com
A pesar de los notables avances en las ciencias en las últimas décadas, muchos científicos se preguntaban a inicios de este nuevo siglo si era posible manipular un circuito de neuronal para entender su funcionamiento. En otras palabras, buscaban abrir la caja negra que es esa masa gris que llamamos cerebro. Ed Boyden y Karl Deisseroth, científicos estadounidenses, tuvieron la idea de iluminar el cerebro para poder entenderlo un poco mejor. Para esto, ambos investigadores tenían conocimiento de que ciertos microorganismos responden a una fuente luminosa y dirigen sus movimientos hacia ella. Estos microorganismos responden a la luz generando diminutas corrientes eléctricas mediante el paso de iones a través de canales presentes en la membrana de estos microbios. A estos canales se les conocen como “opsinas”. Este movimiento de iones con carga eléctrica a través de las opsinas es similar al que ocurre en las neuronas para generar impulsos eléctricos, solo que las neuronas, en lugar de opsinas, poseen estructuras proteicas conocidas como “canales iónicos”. Con esto en mente, Boyden y Deisseroth pensaron en insertar a un tipo particular de opsinas en la membrana de las neuronas, y de esta forma, al dar un pequeño pulso de luz, éstas responderían como lo hacen de manera natural. Esta idea supuso un reto para varias áreas de la biología, y con ayuda de otras áreas como la electrónica, nació una nueva herramienta para el estudio del sistema nervioso: la optogenética. Como su nombre lo indica, es necesario tener conocimientos sobre los genes que son distintivos para un tipo particular de neurona. Por ejemplo, las neuronas que se encargan del sentido del olfato tienen ciertas características que hacen posible identificarlas y dirigir así a las opsinas hacia su membrana. De esta manera, activar circuitos neuronales específicos se vuelve más fácil, como encender o apagar un interruptor. Una ventaja de esta técnica es que los investigadores pueden manipular el pulso de luz, incluso por solamente algunos milisegundos, tiempo suficiente para activar o desactivar ciertos circuitos neuronales.
La optogenética consiste en dirigir un haz de luz hacia un tipo particular de neuronas que fueron previamente identifi- cadas y manipuladas, para activarlas o desactivarlas. Gracias a esto, es posible entender cómo funcionan los circuitos neuro- nales que se encargan del funcionamiento del sistema nervio- so. Imagen tomada de Williams and Deisseroth (2013).
Desde que fue reportada esta herramienta científica en 2005, laboratorios de todo el mundo han comenzado a desarrollar mejoras y generado muchos resultados alentadores. Incluso la optogenética ha comenzado a dar pistas para entender cómo se desarrollan ciertas enfermedades como la ansiedad, el Parkinson o las adicciones, por mencionar solo algunas. Sin embargo, es importante señalar que estos experimentos no se han llevado a cabo en humanos, sino en animales que, al ser manipulados genéticamente, se denominan “transgénicos”. Algunos de los animales empleados son el pez cebra y el ratón, como el que se muestra en la imagen. Este ratón tiene conectado al interior de su cráneo una fuente de luz pequeñísima, conocida como LED, tecnología que ya nos es muy familiar debido a que se encuentra en aparatos como pantallas o focos. En este tipo de experimentos se tiene mucho cuidado de no lesionar a los animales, por principios de bioética y además para asegurarse de que los experimentos puedan llevarse a cabo sin que interfieran otros agentes debidos a la manipulación del animal. Incluso durante los experimentos los animales pueden estar en libre movimiento, por lo que el investigador puede observar la conducta del animal cuando activa o desactiva a las neuronas que quiere investigar. Además, la optogenética se puede combinar con otras técnicas experimentales, por ejemplo, la microscopía, electrofisiología, farmacología, etcétera. Esta interacción con otras ciencias es vital para entender con mayor precisión el funcionamiento de las neuronas.
La optogenética se encuentra en constante desarrollo, de tal forma que ahora se pueden encender o apagar directamente genes específicos de cualquier tipo celular prácticamente. Ciertamente aún quedan muchas preguntas y enigmas sobre el cerebro y su funcionamiento, pero no cabe la menor duda de que con ayuda de la optogenética y la incorporación de ideas brillantes se podrá iluminar la caja negra que llamamos cerebro y con seguridad nos llevaremos sorpresas maravillosas.
Referencias
Nagel, G; Ollig, D; Fuhrmann, M; Kateriya, S; Musti, AM; Bamberg, E y Hegemann P., 2002, “Channelrhodopsin-1: A light-gated proton channel in green algae”. Science 296(5577):2395–2398.
Boyden, ES; Zhang, F; Bamberg, E; Nagel, G y Deisseroth, K., 2005, “Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity”. Nature Neuroscience 8(9):1263–1268.
Deisseroth, K., 2010, “Controlling the brain with light”. Scientific American 303(5):48–55.
Deisseroth, K., 2011, “Optogenetics”. Nature Methods 8(1):26–29.
Williams, SC y Deisseroth, K., 2013, “Optogenetics”. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. 8;110(41):16287.
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