Un grupo de investigadores de Medtronic están desarrollando un prototipo de implante neuronal que utiliza la luz para alterar el comportamiento de las neuronas en el cerebro. El dispositivo está basado en la ciencia emergente conocida como neuromodulación optogenética, mediante la que unas células cerebrales específicas son modificadas genéticamente para responder a la luz. Medtronic, el mayor fabricante mundial de tecnologías biomédicas, espera poder usar el dispositivo para comprender mejor el modo en que las terapias eléctricas, que en la actualidad se usan para tratar el Parkinson y otras enfermedades, alivian los síntomas de otras enfermedades. Los científicos de Medtronic afirman que utilizarán los descubrimientos para mejorar los estimuladores eléctricos que la compañía ya tiene a la venta, pero hay quienes esperan poder usar estas terapias ópticas directamente como tratamientos.

Los implantes neuronales actuales funcionan mediante la distribución de dosis medidas de estimulación eléctrica a través de un delgado electrodo insertado a por un pequeño agujero en el cráneo del paciente, con la punta implantada en un área cerebral localizada. Desde que la Administración de Alimentos y Medicamentos de los EE.UU. aprobó este tipo de “marcapasos cerebrales” y los tratamientos basados en electricidad que proporcionan—conocidos como Estimulación Cerebral Profunda (DBS, en inglés)—para una enfermedad denominada tremor esencial en 1997, para la enfermedad de Parkinson en 2002 y para la distonia en 2003, más de 75.000 personas han sido sometidas a su instalación. Se cree que los pulsos eléctricos contrarrestan la actividad neuronal anormal resultante de las distintas enfermedades, aunque los médicos saben muy poco acerca del funcionamiento de la DBS.

A pesar de su éxito, este tipo de prótesis neuronales tienen serios problemas asociados. Más allá del brusco hecho de su localización física, pueden llegar a estimular neuronas cercanas al electrodo de forma indiscriminada. Esa sobreactividad puede provocar mareos, hormigueos y otro tipo de efectos secundarios. Es más, producen “ruido” eléctrico que dificulta el seguimiento de las señales neuronales más silenciosas, y hace que el uso simultáneo de sistemas de escaneado como las IRM sea prácticamente imposible, lo que evita que los investigadores obtengan evidencias sobre cómo funcioan realmente la DBS.

Durante los últimos años, los científicos han desarrollado una forma de estimular las neuronas usando la luz en vez de la electricidad. En primer lugar los investigadores introducen un gen de una molécula sensible a la luz, llamada canalrodopsina 2 (ChR2), dentro de un grupo específico de neuronas. Al hacer brillar una luz azul sobre estas neuronas se consigue activarlas. Una de las ventajas de este método viene dada por su especificidad—sólo las neuronas con el gen son activadas. También proporciona una forma de apagar las neuronas—mediante la introducción de una molécula distinta, halorodopsina, que silencia las células en respuesta a la luz amarilla. “Esa es la otra parte que resulta única de este método,” afirma Tim Denison, director de ingeniería IC senior en la división de neuromodulación de Medtronic. “Nos permite silenciar la actividad de las neuronas, algo que resulta extremadamente difícil con la electroestimulación.”

Aunque los científicos académicos están desarrollando nuevas herramientas para distribuir luz en el cerebro, Medtronic está desarrollando un implante basado en optogenética para su uso comercial. El módulo, que tiene aproximadamente el tamaño y la forma de una unidad USB pequeña, posee vínculos de datos inalámbricos, una unidad de administración de energía, un microcontrolador, y un estimulador óptico. Utiliza un cable de fibra óptica para dirigir la luz desde un LED azul o verde hasta las neuronas que deseen tratarse en el cerebro. La compañía tiene planes para comercializar el dispositivo entre investigadores de neurociencia, y usarlo en las investigaciones propias sobre los efectos de la DBS.

Los científicos de Medtronic enfatizan que el dispositivo se encuentra en una fase inicial. “Este tipo de investigación es para su uso con modelos animales y no está lista para ningún tipo de aplicación humana por ahora,” afirma Denison. Aún así, añade que “lo que resulta interesante es que las terapias hoy día siguen estando basadas en las ideas relacionadas con la electricidad del siglo XIX. Esta novedosa y disruptiva tecnlogía ofrece una interfaz única con el sistema nervioso.”

Hoy día, más de 500 laboratorios están aplicando herramientas de optogenética en modelos animales para el Parkinson, la ceguera, las lesiones espinales, la depresión, la narcolepsia, la adicción y la memoria. Medtronic, que ha construido su negocio en base a ser los primeros en implementar la investigación médica en el mercado, ha llevado a cabo largas consultas con los pioneros en optogenética Karl Deisseroth de Stanford y Ed Boyden de MIT, para construir un implante que apoye esta nueva ciencia. (Boyden es columnista ocasional de Technology Review.)

Para poder transformar el implante de investigación en un dispositivo clínico, Medtronic u otras compañías tendrán que encontrar formas de poder distribuir de manera segura los genes necesarios dentro de los circuitos neuronales específicos en el cerebro. Denison cree que el desarrollo de las terapias prácticas basadas en la optogenética en pacientes humanos será gradual. “Francamente, creo que será mi hijo quien acabe trabajando con este tipo de tecnología como empleado de Medtronic,” afirma.

No obstante, Boyden desde MIT cree que el desarrollo será más acelerado. “Creo que está más dentro del rango de 3 a 10 años,” afirma. Boyden a cofundado una compañía, Eos, para desarrollar terapias genéticas que curen la ceguera. (Puesto que su objetivo es el ojo, esta terapia no requeriría el uso de un implante.) Jerry Silver desde la Universidad Case-Western tiene una startup, LucCell, cuyo objetivo es usar estas terapias para restaurar las funciones en espinas dorsales dañadas. “El campo de la terapia de genes está madurando,” señala Silver. “Hay un tipo de virus llamado AAV—virus adeno-asociado—que es natural, que casi todos llevamos consigo, que no presenta síntomas, y que ya ha sido utilizado en cientos de pacientes sin encontrar ni un solo evento adverso de gravedad.”

En general, concluye Boyden, “con muchas enfermedades neuronales o psiquiátricas, una muy pequeña fracción de las células cerebrales sufren alteraciones de gran tamaño—el Parkinson consiste en la muerte de quizás unos cuantos miles de células. Si mediante la optogenética podemos corregir los objetivos sin alterar las ‘neuronas normales’—entre comillas—podríamos solucionar nuestros problemas actuales, que vienen dados por el hecho de que los fármacos para las enfermedades cerebrales tienen efectos secundarios muy graves, y los implantes neuronales son instrumentos extremadamente bruscos. Así que hay esperanza.”