Hoy día, investigadores de todo el mundo utilizan estos interruptores de luz genéticos para controlar neuronas específicas en animales vivos, observando sus roles en un cada vez mayor grupo de funciones y enfermedades cerebrales, incluyendo la memoria, la adicción, la depresión, la enfermedad de Parkinson y las lesiones de espina dorsal.
Karl Deisseroth, uno de los pioneros de la técnica, acaba de añadir algunas nuevas herramientas al repertorio de la optogenética que podrían hacer avanzar el estudio de este de tipo de enfermedades, y hacerlo además a la velocidad de la luz. Una técnica molecular para el control de circuitos de neuronas completos, en vez de células individuales, permitirá a los científicos estudias el rol de redes neuronales específicas en el cerebro. Una nueva técnica de infrarrojo cercano que llega hasta las células cerebrales en las capas profundas del tejido podría permitir a los científicos usar estas técnicas de forma no invasiva—en la actualidad, deben implantar un cable de fibra óptica en el cerebro del animal para lograr la activación por luz de dichas células. Además, un “interruptor de apagado” mejorado capaz de hacer que las neuronas sean más sensibles a la luz también proporciona un control neuronal más ajustado. El grupo publicó sus resultados en la edición del 2 de abril de la revista Cell.
Hasta la fecha, los científicos se han concentrado principalmente en dos interruptores de luz, u opsinas, para activar o inhibir neuronas. El primero, la canalrodopsina, es una proteína encontrada en las membranas celulares del alga verde. Al ser expuesta a luz azul, estas proteínas abren canales en las membranas, permitiendo que entren iones de sodio y de calcio. Al ser modificadas genéticamente en neuronas de mamíferos, estas proteínas pueden provocar la entrada de iones similares, activando las neuronas. El segundo interruptor de luz, una bomba de iones llamada halorodopsina, permite que entren iones de cloruro en respuesta a la luz amarilla, silenciando la neurona.
No obstante, el interruptor de luz conocido como halorodopsina tiene algunos problemas. No silencia las neuronas de forma tan efectiva, y se puede acumular y provocar efectos tóxicos en las células cerebrales. El equipo de Deisseroth ha desarrollado un interruptor de apagado meas efectivo mediante el aprovechamiento de un fenómeno llamado “tráfico de membrana.” En vez de mantener la halorodopsina dentro de la célula, Deisseroth creó unas instrucciones moleculares para guiar a las opsinas a través de la célula, hasta fuera de la membrana, donde pueden responder de forma mejor a la luz y abrir canales de iones para inhibir las neuronas.
“Las proteínas se envían de un lado a otro dentro de la célula con una complejidad increíble,” afirma Deisseroth. “Tenemos que proporcionar el equivalente a códigos postales, pequeños trozos de ADN en las opsinas, para poder enviarlas correctamente hasta la superficie de la membrana.” (Ed Boyden, neurocientífico en MIT además de pionero dentro de la optogenética, también ha desarrollado unos interruptores de apagado más efectivos, utilizando proteínas procedentes de hongos y bacterias.)
El equipo descubrió que este nuevo interruptor de apagado responde 20 veces mejor a la luz amarilla que las generaciones anteriores. Los investigadores también descubrieron que, aunque el amarillo parece ser el mejor color a lo largo del espectro de luz para provocar el interruptor de apagado, las luces roja y de infrarrojo cercano también pueden provocar ese efecto. Para Deisseroth, estos resultados sugieren una perspectiva tentadora: es de sobra sabido que cuando más se acerque la luz al punto infrarrojo, con más profundad puede avanzar a través del tejido. La creación de un interruptor de luz que encienda las neuronas en respuesta a la luz infrarroja podría abrir las puertas al control preciso de circuitos en zonas profundas del cerebro, lo que en potencia permitiría tratamientos no invasivos para enfermedades como el Parkinson y la depresión.
Jerry Silver, profesor de neurociecia en la Universidad Case Weste , está particularmente interesado en este nuevo interruptor de apagado. Silver está usando la optogenética para explorar el control de la vejiga en las lesiones de médula espinal, y ha estado usando la luz para apagar los nervios que relajan la vejiga. Estos nervios están localizados en la parte baja de la columna, un área especialmente vulnerable, y la generación actual de halorodopsinas requiere una alta intensidad de luz para conseguir un efecto que se pueda medir.
“Nos preocupa que necesitemos un montón de luz, lo que crea muchísimo calor,” afirma Silver. “Con estas nuevas herramientas más sensibles, puede que no necesitemos tanta luz, lo que generaría menos calor, y la luz puede invadir el tejido con más profundidad. Esa es la razón por la que me interesa tanto esta nueva generación.”
Además de crear un interruptor de apagado potente, el equipo de Deisseroth logró superar otro enorme obstáculo dentro de la optogenética—la activación de un circuito neuronal completo. Aunque los científicos pueden dirigir los interruptores genéticamente hasta tipos específicos de neuronas, es más difícil identificar y manipular genéticamente las células que salgan o lleguen a esas neuronas. Ser capaz de controlar circuitos completos de neuronas al mismo tiempo, a la velocidad de la luz, podría dar a los científicos un mejor entendimiento de las conexiones neuronales involucradas en tareas del comportamiento como el aprendizaje y la memoria, y enfermedades como la depresión o la compulsión obsesiva.
Para activar un circuito neuronal, en primer lugar Deisseroth inyectó un interruptor de luz genético en una neurona motora de un ratón. El interruptor había sido manipulado para que sólo funcionase en presencia de otra molécula, CRE. Después Deisseroth inyectó CRE, junto a otra molécula de tráfico, en otra región del cerebro del ratón. La molécula de tráfico “arrastra el CRE de una célula a otra,” trazando una ruta hasta la neurona a la que se desea llegar, afirma. El CRE desbloquea el interruptor de luz, y en presencia de luz azul, la neurona—y el circuito completo—es activada.
“Creemos que soluciona, o da un paso hacia su solución, las mayores limitaciones aún existentes dentro de la optogenética,” señala Deisseroth. “El mayor reto es utilizar estas herramientas con modelos de enfermedades. Veo a pacientes con autismo o depresión, y busco formas para utilizar estas herramientas, además de intentar entender los circuitos de dichas enfermedades.”