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Ciencia y tecnología 19 jun 2016

Luz para conocer mejor el cerebro vivo

La optogenética es una técnica que permite controlar con luz el comportamiento de un animal vivo. Como en esta escena: el ratón de laboratorio está tranquilamente en su caja, aunque con un cable de fibra óptica saliendo de su cabeza; se enciende una luz y el animal empieza a correr; se apaga la luz, y se para.

Para apreciar la importancia del experimento hay que saber que la fibra óptica está llevando la luz a la región del cerebro que controla el movimiento, donde reaccionan solo algunas neuronas específicas. Con la misma estrategia se puede actuar sobre la memoria, el miedo, la adicción, la depresión, la epilepsia, el párkinson… La optogenética existe en su versión actual desde hace apenas una década, y ya la usan miles de laboratorios.

No son pocos los neurocientíficos maravillados ante una técnica que aporta, según han dicho, exactamente lo que necesitaban, pues permite una precisión sin precedentes en la investigación del cerebro vivo. Hace posible contemplar, seriamente, la posibilidad de hallar qué circuitos cerebrales participan en qué comportamiento y aspirar a mejorar de forma significativa el tratamiento de la enfermedad mental. Los investigadores dicen que la optogenética les hace no solo ser más ambiciosos, sino pensar diferente sobre el cerebro.

Imagen de Boyden, Deisseroth y Miesenböck, premios Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento

Edward S. Boyden III (Justin Knight/MIT), Karl Deisseroth  (Saul Bromberger – Sandra Hoover, Stanford Engineering) y Gero Miesenböc (Greg Smolonski).

Los neurocientíficos Edward Boyden, Karl Deisseroth y Gero Miesenböck, creadores de la optogenética, son los ganadores del Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Biomedicina. La historia de su trabajo para desarrollar la optogenética tiene elementos sorprendentes. Por ejemplo, ¿cómo algo tan bien acogido por la comunidad pudo ser inicialmente rechazado por agencias de financiación y revisores? O también: ¿Cómo áreas de conocimiento tan distantes como el estudio de microrganismos en lagos salinos, la física de la luz y la genómica han llegado a cruzarse para generar una técnica capaz de estudiar el cerebro?

Por primera vez podemos entender cómo cada tipo específico de neuronas pone en marcha algo tan complejo como un comportamiento determinado — Boyden

El punto de partida es la necesidad acuciante de neurotecnología. Francis Crick, uno de los descubridores de la estructura del ADN, ya dijo hace décadas que solo una herramienta que permita el control de neuronas específicas en su tiempo natural de funcionamiento—milisegundos— permitirá entender cómo de una estructura biológica emergen la personalidad, la imaginación, el sufrimiento o la curiosidad. Crick escribió: «la señal ideal sería la luz (…) Parece muy lejano, pero es concebible que los biólogos moleculares consigan que un tipo celular sea sensible a la luz».

El primer hallazgo en la genealogía de la optogenética data de principios de los setenta, cuando un bioquímico alemán descubrió en bacterias que viven en lagos salinos una proteína capaz de convertir luz en electricidad en un único paso bioquímico. Es una opsina, una familia de proteínas sensibles a la luz también presentes en la retina humana, aunque las opsinas de los mamíferos no generan electricidad tan directamente sino desencadenando una cascada de moléculas secundarias.

Imagen de neuronas. The Journal of Cell Biology (Creative Commons)

Imagen de neuronas. The Journal of Cell Biology (Creative Commons)

Diseñar terapias específicas para algo tan misterioso como la enfermedad mental exige un conocimiento profundo sobre el cerebro — Deisseroth

El capítulo siguiente en la historia une ya las opsinas con la neurociencia. A finales de los noventa Gero Miesenböck (Braunau, Austria, 1965), hoy catedrático de la Universidad de Oxford (Reino Unido), quería visualizar la actividad de las neuronas empleando proteínas sensibles a la luz. Una tarde de sábado tuvo la idea: «¿No sería increíble poder controlar la actividad del cerebro además de leerla?». En 2002 Miesenböck demostró que sí se puede controlar las neuronas con luz. Lo hizo con células en cultivo, no en vivo, pero advirtió enseguida «que era una tecnología con un enorme potencial».

Miesenböck había introducido el gen de las opsinas microbianas en el ADN de las neuronas, que así, al ser iluminadas, respondían como las bacterias de los lagos salinos: disparando una señal eléctrica. El método de Miesenböck, sin embargo, tenía inconvenientes técnicos que dificultaban su aplicación a gran escala.

Los estadounidenses Karl Deisseroth (Boston, 1971) y Edward S. Boyden III (Plano, Texas, 1979) aportarían la solución. Deisseroth es hoy catedrático en la Universidad de Stanford, y Boyden investigador en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). En 2004 trabajaban juntos en la Universidad de Stanford y llevaban años intentando cumplir la predicción de Crick.

Habían sabido del hallazgo, un año antes, de un nuevo tipo de opsina en un alga verde y decidieron usarla. Los retos eran muchos: los genes de las opsinas podían no expresarse lo bastante en las neuronas, la luz podía no llegar al punto adecuado en el cerebro… Solo su gran motivación, y el hecho de que los Institutos Nacionales de Salud estadounidenses cuenten con un programa específico para ideas muy arriesgadas, les hizo seguir adelante.

Para entender un sistema biológico necesitaspoder controlarlo de forma precisa, algo hastaahora imposible en neurociencia — Miesenböck

Su audacia se vio recompensada. Ya la primera prueba de concepto, con una única célula de rata, funcionó mejor de lo que Deisseroth y Boyden esperaban, que sin embargo vieron cómo las revistas Science y Nature rechazaban publicar el trabajo al dudar de que pudiera aplicarse a organismos vivos.

Una década después la impresión general es que la optogenética apenas ha empezado a mostrar su poder. Los galardonados resaltan que su utilidad es ante todo básica: la optogenética sirve, en primer lugar, para estudiar el cerebro. Miesenböck la está usando para investigar el sueño y la toma de decisiones. Boyden sigue perfeccionando aspectos tecnológicos.Y Deisseroth, que además de neurocientífico es psiquiatra, querría que acabase siendo útil para aliviar el sufrimiento asociado a la enfermedad mental.

 

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