06 abril 2011

Optogenética: iluminar neuronas para descubrir caminos en el cerebro.


En los últimos años una nueva técnica denominada optogenética está dando mucho que hablar en las neurociencias. El principio de esta técnica es sencillo (aunque ponerlo a punto sea bastante más complicado): se crean animales transgénicos que expresan en las células que nosotros queramos ciertas proteínas que se activan en respuesta a la luz de una determinada longitud de onda. Pero, ¿para qué sirve esta técnica? Pues, fundamentalmente, para estudiar circuitos cerebrales, así como la implicación de tipos específicos de neuronas en diversas conductas, o determinados procesos que tienen lugar en el cerebro.

Así pues, ¿de dónde salen estas proteínas que se activan en respuesta a la luz de una determinada longitud de onda? Todos conocemos moléculas que pueden activarse en respuesta a la luz, como la clorofila, que se encuentra en las plantas, o las rodopsinas, que se encuentran en los conos de la retina. Las que se emplean en los modelos optogenéticos suelen proceder de bacterias, y pueden ser de varios tipos, pero en general constituyen lo que se denomina canales iónicos. Es decir, que cuando se activa esa proteína se abre un poro en la membrana en la que se encuentra embebida y permite el paso específico de iones a través de la membrana de la célula en cuestión. Así, dependiendo del tipo de canal iónico que expresemos en una neurona podremos hacer que esta se active (si el canal es de calcio o de sodio) o que se inhiba (si es de potasio).

El siguiente paso consistirá en secuenciar el gen que contiene la información que codifica en las bacterias para esos canales, e insertarlo en las neuronas que nosotros queramos. Esto se consigue inyectando un virus en el cerebro de los animales. Dichos virus se habrán generado mediante ingeniería genética, insertando en ellos no sólo la información genética necesaria para generar la proteína deseada, sino además una secuencia (denominada promotor) que permite que esa proteína sólo se exprese en las neuronas que nosotros queramos (si no, correríamos el riesgo de que la proteína se insertase en cualquier célula del organismo).

Una vez que tenemos a nuestro animal expresando la proteína que queríamos y en los tipos neuronales deseados, el siguiente paso sería activar esas proteínas. ¿Cómo hacerlo? Pues implantando al animal un cable de fibra óptica que llegue hasta la región del cerebro cuya actividad queremos modular. Una vez hecho esto, que es posiblemente lo menos difícil de todo, porque se basa en cirugía estereotáxica (que se lleva realizando durante decenas de años), el siguiente paso consistiría en conectar esa fibra óptica a una fuente de luz. Y la mejor forma de conseguir una fuente de luz de una longitud de onda determinada es emplear un láser. A partir de ahí ya todo consiste en encender o apagar la luz y medir lo que se nos antoje, como una determinada conducta, ciertos marcadores bioquímicos que sospechemos que pueden variar cuando activamos esas células, o incluso respuestas eléctricas en otras regiones del cerebro que pensemos que pueden estar conectadas con las neuronas cuya actividad estamos modulando.




Hay incluso otros modelos optogenéticos mucho más complejos y que implican el uso de ingeniería química. Estos no se basan en expresar un canal iónico en un tipo de neuronas determinado, sino que lo que hacen es generar una estructura más compleja, que implica un canal iónico que es activado por un neurotransmisor (lo que se denomina receptor, aunque hay de otros tipos aparte de los de canal iónico). En este caso, de hecho, la activación del canal iónico se produce por la presencia de un neurotransmisor determinado. Lo interesante de estos modelos es que mediante la luz se puede hacer que el neurotransmisor se una a su receptor. ¿Cómo? Pues uniendo mediante síntesis química al uno con el otro a través de una “cuerda” (ver figura). Lo importante es que esa “cuerda” presenta una estructura química que la hace sensible a la luz de dos longitudes de onda diferentes, que hacen esta se torsione para que el neurotransmisor se una a su receptor (y así se abra el canal iónico), o que se separe del receptor y cese por tanto el paso de iones a través de ese canal iónico. Y eso con sólo apretar un botón. Con este modelo se ha conseguido, por ejemplo, inhibir un reflejo sencillo del pez cebra. Cuando se intenta tocar a un pez cebra con un objeto éste se escapa muy rápidamente. Sin embargo, si se expresa un receptor de glutamato de este tipo que acabo de describir y se activa en el momento de intentar tocar al pez cebra el reflejo de huida queda inhibido y podemos tocar al pez sin que este haga nada por huir de nosotros.

La técnica tiene muchas utilidades. No sólo permitirá en el futuro saber muchas más cosas sobre funciones específicas de muchas neuronas y de circuitos cerebrales involucrados en distintas conductas o patologías cerebrales, sino que puede emplearse en otros tipos celulares. Una aplicación es, por ejemplo, su uso en células cardíacas, que también funcionan gracias a la apertura de canales iónicos. Mediante pulsos de luz rítmicos, puede conseguirse que las células cardíacas se relajen y se contraigan al ritmo que nosotros queramos, lo que podría tener una aplicación futura para el tratamiento de arritmias (en el vídeo del final se ve el control de la actividad de células cardiacas perfectamente).

Sin embargo esta técnica, como todas, tiene sus limitaciones. Por ejemplo, que estamos introduciendo canales iónicos en neuronas que no tienen por qué tenerlos. Además, para expresar esos canales en las neuronas hay que inyectar un virus en el cerebro de los animales y hay que operarles para poder activar esos canales mediante la luz, por lo que las condiciones fisiológicas pueden verse seriamente alteradas. Pero aun así la técnica tiene mucha utilidad y la prueba es que en los últimos 2 ó 3 años ha habido una auténtica avalancha de artículos al respecto.
Y no quiero terminar este apunte sin nombrar a los creadores de esta técnica. El primero en emplearla fue Miesenböck en 2002, aunque el que le ha dado el empuje definitivo y acuñó el término optogenética ha sido Karl Deisseroth. El tiempo dirá si constituye una revolución o no, pero de momento cualquier manuscrito que contiene uno de estos modelos se suele publicar en muy buenas revistas científicas (y, para muestra, ver el curriculum de Deisseroth en los últimos años), aunque esto último no tiene por qué ser sinónimo de buena ciencia y sí más de modas.

La optogenética, por cierto, fue declarada técnica del año en 2010 por la revista Nature Methods, que no es poca cosa. Con ocasión de ello crearon un vídeo explicando la técnica y sus aplicaciones que tenéis a continuación en su perfecto inglés. Aunque no lo entendáis echadle un vistazo porque hay muchos dibujitos y sólo con eso ya se entiende bastante bien.