Uno de los principales objetivos de la neurociencia es poder activar y desactivar las células cerebrales de forma no invasiva. Esto podría ayudar a pacientes con una gran variedad de trastornos, desde el alzhéimer hasta el TEPT.
Este es uno de los principales motores del campo de la optogenética, que es una técnica biológica que utiliza la luz para controlar la actividad de las células cerebrales en animales vivos.
La optogenética recibió cierta atención de la prensa recientemente con un estudio de la Universidad de Yale que mostró cómo los investigadores habían logrado activar el «instinto asesino» en ratones, haciéndolos atacar objetos inanimados del mismo modo que se abalanzan sobre la comida.
El neurocientífico y doctorando Dheeraj Roy nos ayudó a entender cómo funciona mediante una analogía con un parque infantil. Si la célula es el parque, las proteínas son la entrada: controlan qué entra y qué sale. Estas proteínas guardianas también pueden ser estimuladas por distintos factores, como sustancias químicas o luz.
La búsqueda de un gen que reaccionara a la luz
Los orígenes del campo de la optogenética se remontan a principios de la década de 1990, cuando el biólogo alemán Peter Hegemann trabajaba con el alga Chlamydomonas reinhardtii y descubrió que movía su «cola» y avanzaba al exponerse a la luz. Es decir, las compuertas de las proteínas se abrían y permitían que el alga realizara una función determinada gracias a la luz.
A finales de la década de 1990, los científicos empezaron a darse cuenta de que esto podía tener aplicaciones importantes, y así comenzó una década de investigación para intentar encontrar el gen que reaccionaba a la luz.
Varios años y muchos estudios después, un artículo pionero de 2005 mostró que los investigadores habían encontrado la proteína en un alga unicelular concreta, llamada ChR2, que solo respondía a las longitudes de onda azules de la luz. La luz blanca que vemos está compuesta por todos los distintos espectros de luz, incluido el azul.
Al retirar la proteína, el alga dejó de moverse bajo la luz solar. Sin embargo, cuando se insertó la misma proteína en una célula cerebral de ratón en una placa de Petri, los canales se abrieron y los neurotransmisores empezaron a transmitirse con pulsos de luz azul.
Los investigadores ya sabían que podían polarizar células animales con luz si contaban con esta proteína especial, y así comenzó la investigación sobre la inserción de ChR2 en las retinas de ratones ciegos, las neuronas del hipocampo, las espinas de embriones de pollo vivos, cortes de cerebro de ratón y gusanos parásitos.
Roy dijo que, antes de este descubrimiento revolucionario, nadie en el campo de la neurociencia tenía una buena manera de controlar las neuronas, al menos no en una escala de tiempo razonable.
«La mayoría de los métodos consistían en alguna sustancia química o fármaco, pero, por lo general, tras infundirlo en la parte del cerebro que interesa estudiar, sus efectos tardaban varias horas en aparecer o duraban demasiado como para llegar a una conclusión muy concreta», afirmó.
Más de una década después, la ciencia ha avanzado y los investigadores ahora controlan elementos aún más pequeños que las células, como las moléculas de ADN. «La gente sueña con que algún día podamos utilizarla en pacientes», dijo Roy.
Optogenética y memoria
Actualmente, la mayor parte de la investigación en optogenética se lleva a cabo en animales como los ratones. Normalmente, cuando se enseña a un animal a tener miedo de una caja dándole una descarga eléctrica en la pata al entrar, la recordará durante al menos un año y evitará a toda costa meterse en ella. En cambio, los ratones con amnesia olvidan rápidamente lo que les ocurrió en la caja aterradora y, apenas un mes después, empiezan a comportarse como si no hubiera pasado nada malo.
«Es importante recordar estos recuerdos traumáticos... por eso a la mayoría nos va tan bien», dijo Roy. «Así que me pregunté qué estábamos viendo aquí, porque buena parte de la idea detrás de la pérdida de memoria implica que, en realidad, estamos perdiendo esa información de la memoria».
Sin embargo, Roy dijo que esta teoría siempre había sido más bien una «buena suposición», y su investigación se propuso averiguar si, de hecho, era posible recuperar los recuerdos.
Unas 100 neuronas del hipocampo del ratón —la parte del cerebro responsable de las emociones y la memoria— son responsables de este tipo de recuerdo, así que el equipo de Roy intentó activar artificialmente estas células mediante pulsos de luz azul.
«Lo que descubrimos, y que nos sorprendió tanto a nosotros como al campo, fue que, al utilizar la optogenética para activar artificialmente estas células, podíamos hacer que los animales mostraran miedo», dijo Roy. «Ayer estos animales tenían amnesia y ahora, cuando los ponemos de nuevo allí y encendemos la luz, sienten miedo. Se ven exactamente como los ratones de control».
En otras palabras, la investigación sugirió por primera vez que el hecho de olvidar un recuerdo no significa que se haya perdido para siempre, e incluso puede ser posible recuperarlo. Esto dio un vuelco al campo, en cierto modo, porque no se había considerado realmente que los recuerdos siguieran ahí. Ahora, muchos grupos de investigación quieren ampliar estos conocimientos.
Por ejemplo, algunos grupos estudian trastornos cerebrales como la esquizofrenia, cuyos pacientes a veces tienen dificultades para recordar cosas. Las personas autistas suelen tener el problema opuesto: recuerdan las cosas demasiado bien y, por eso, les cuesta dejar atrás experiencias traumáticas y pequeños sucesos cotidianos.
Aun así, es importante recordar que todos estos experimentos se realizan con modelos animales. No se han realizado experimentos de este tipo con optogenética en seres humanos. Los únicos ensayos de optogenética en seres humanos se han limitado a experimentos en el ojo, en lugar de actuar directamente sobre el cerebro.
«Si alguna vez queremos pasar de los animales a los seres humanos, tendrá que ser, como mínimo, una versión distinta»
«La optogenética actual es bastante invasiva, así que, si alguna vez queremos pasar de los animales a los seres humanos, tendrá que ser, como mínimo, una versión distinta», dijo Roy. «No podemos empezar a perforar el cráneo de cada paciente; tendremos que encontrar algo más razonable».
Además, se necesitan muchas más pruebas sobre la respuesta inmunitaria humana a estos tratamientos para que los organismos reguladores respalden la optogenética. Un grupo de investigación del Laboratorio Roth de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill trabaja en ello bajo la dirección del Dr. Bryan Roth. Han ideado algo que, según Roy, podría ser una forma prometedora de trasladar la investigación en optogenética a un enfoque menos invasivo.
«Él [Roth] ideó una herramienta llamada DREADDS», explicó Roy. «Me gusta porque, aunque la optogenética actúa en la escala temporal de la comunicación entre neuronas, DREADDS permite hacer algo parecido».
La idea es que los investigadores puedan tener control sobre las neuronas y así puedan seguir activándolas o desactivándolas, como en la optogenética. Pero, en lugar de hacerlo con haces de láser invasivos en el cerebro, lo hacen con un fármaco.
Ese fármaco «va y encuentra las neuronas que tienen este bioreceptor único... y lo activa o desactiva», dijo Roy.
«Aunque no es tan precisa como la optogenética, sí veo su potencial para hacer algo muy parecido a lo que puede hacer la optogenética, y ser varias veces menos invasiva», dijo Roy.
