Cómo la optogenética abrió nuevas formas de estudiar el cerebro

En realidad, algunos grandes descubrimientos científicos no se descubren. Están prestados. Eso es lo que sucedió cuando los científicos reclutaron proteínas de un prestamista poco probable: las algas verdes.

Células de la especie de algas Chlamydomonas reinhardtii están decoradas con proteínas que pueden percibir la luz. Esa capacidad, que se observó por primera vez en 2002, rápidamente llamó la atención de los científicos del cerebro. Una proteína sensible a la luz prometía el poder de controlar las neuronas, las células nerviosas del cerebro, al proporcionar una forma de encenderlas y apagarlas, exactamente en el lugar y el momento correctos.

Las células nerviosas diseñadas genéticamente para producir las proteínas de las algas se convierten en marionetas controladas por la luz. Un destello de luz podría inducir a una neurona silenciosa a disparar señales o forzar a una neurona activa a quedarse en silencio.

“Esta molécula es el sensor de luz que necesitábamos”, dice el neurocientífico de la visión Zhuo-Hua Pan, que había estado buscando una forma de controlar las células de la visión en las retinas de los ratones.

El método habilitado por estas proteínas prestadas ahora se llama optogenética, por su combinación de luz (opto) y genes. En menos de dos décadas, la optogenética ha dado lugar a grandes conocimientos sobre cómo se almacenan los recuerdos, qué crea percepciones y qué sale mal en el cerebro durante la depresión y la adicción.

Usando la luz para impulsar la actividad de ciertas células nerviosas, los científicos han jugado con las alucinaciones de los ratones: los ratones han visto líneas que no están allí y han recordado una habitación en la que nunca habían estado. Los científicos han utilizado la optogenética para hacer que los ratones peleen, se apareen y coman, e incluso para que los ratones ciegos puedan ver. En una gran primicia, la optogenética recientemente restauró aspectos de la visión de un ciego.

Una pista temprana sobre el potencial de la optogenética llegó alrededor de la 1 am del 4 de agosto de 2004. El neurocientífico Ed Boyden estaba en un laboratorio en Stanford, revisando un plato de neuronas que poseían un gen para uno de los sensores de luz de las algas, llamado canalrodopsina-2. . Boyden iba a iluminar las celdas con luz azul y ver si disparaban señales. Para su asombro, la primera celda que revisó respondió a la luz con un estallido de acción, escribió Boyden en un Cuenta 2011. Las posibilidades planteadas por esa pequeña chispa de actividad, descritas en un informe técnico de 2005 de Boyden, Karl Deisseroth de la Universidad de Stanford y sus colegas, se convirtieron rápidamente en realidad.

En el laboratorio de Pan, las proteínas sensibles a la luz restauraron la visión en ratones con retinas dañadas, un hallazgo que ahora ha llevado a un ensayo clínico en personas. La promesa de la optogenética no era un hecho en esos primeros días, ya que los científicos estaban aprendiendo por primera vez cómo usar estas proteínas en las neuronas. “En ese momento, nadie anticipó que este trabajo optogenético tendría un impacto tan grande”, dice Pan.

Desde esos primeros descubrimientos, los sensores de luz de las algas se han adoptado para su uso en numerosos campos de investigación del cerebro. La neurocientífica Talia Lerner de la Universidad Northwestern en Chicago, por ejemplo, usa la optogenética para estudiar las conexiones entre las células del cerebro del ratón. El método le permite separar las relaciones entre las células que producen y responden a la dopamina, un mensajero químico involucrado en el movimiento y la recompensa. Esos enlaces celulares, iluminados por la optogenética, podrían ayudar a revelar detalles sobre la motivación y el aprendizaje. «Mi investigación realmente no sería posible en su forma actual sin la optogenética», dice.

La optogenética también es indispensable para Jeanne Paz de los Institutos Gladstone en San Francisco. Ella y sus colegas han estado buscando las células que pueden evitar que las convulsiones se propaguen por el cerebro. Al darle una forma de controlar distintos grupos de neuronas, la optogenética es crucial para su búsqueda. “Realmente no podríamos hacer estas preguntas con ninguna otra herramienta”, dice Paz.

Su búsqueda asistida por optogenética llevó a Paz a una estructura cerebral llamada tálamo, una estación de paso para muchas redes neuronales en el cerebro. “Recuerdo la piel de gallina que experimenté la primera vez que encendí la luz en el tálamo y detuvo la convulsión”, dice ella.

Hasta ahora, la investigación en optogenética se ha llevado a cabo principalmente en ratones. Pero pronto se podrán encontrar conocimientos sobre cerebros más complejos, incluidos los de los primates, dice Yasmine El-Shamayleh, de la Universidad de Columbia. En 2009, Boyden y sus colegas describieron la optogenética en un macaco. El-Shamayleh y otros están impulsando esta línea de investigación con fuerza. “Definitivamente estamos en la cúspide” de revelar algunos principios fascinantes del cerebro de los primates, como cómo el cerebro transforma las señales de los ojos en percepciones, dice.

La optogenética ha evolucionado rápidamente. Los científicos han diseñado y optimizado nuevos sensores de luz y nuevas formas de combinarlos con otras técnicas. Una razón importante para la innovación generalizada de hoy, dice Lerner, fue el espíritu temprano de compartir de los pioneros de la optogenética. En Stanford, Deisseroth organizaba regularmente talleres para capacitar a otros científicos en la técnica. «De alguna manera, eso es tan importante como inventarlo», dice Lerner.

Por lo tanto, vale la pena tomarse un minuto para apreciar a los participantes originales. No importa lo que suceda a continuación en este campo en rápido movimiento, una cosa es segura: los científicos del cerebro estarán para siempre en deuda con las algas.

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