La optogenética, o cómo recuperar los recuerdos con luz

Por J. Carlos Hernández

Recientemente investigadores de la Universidad de Massachusetts publicaron un artículo en la revista Science, en él explican que han logrado revertir la amnesia a través de la activación de células cerebrales con luz, un método denominado optogenética, dado a conocer en 2005 por el Dr. Karl Deisseroth de la Universidad de Stanford, y desarrollado en los últimos 10 años por varios investigadores de todo el mundo probando sus posibles usos. También la revista Science incluyó el método dentro de los diez avances científicos más relevantes del 2014.

Para entender de qué manera pudieron obtener estos resultados hay que explicar el método: la optogenética combina técnicas ópticas, brillo de la luz láser o LED, con la genética: procedimientos para transferir un tipo de proteínas sensibles a la luz denominadas opsinas a ciertos grupos de neuronas. Las opsinas existen en el ojo humano, en los microbios y en otros organismos, éstas tienen la capacidad de la transducción, es decir, la cualidad de cambiar de un tipo de señal a otro diferente. Con esta característica, al exponerse a la luz, la proteína la absorbe y genera un cambio de señal.
La relevancia del método radica en que las opsinas no se encuentran en las neuronas de ningún mamífero, por supuesto, incluyéndonos a los seres humanos. Por lo que para su uso es necesario aislarlas de los seres que sí las poseen para adherirlas a las neuronas, hasta ahora de ratones utilizados en los experimentos.
Antes de darlo a conocer el Dr. Karl Deisseroth, el Dr. Gero Miësenboeck, de la Universidad de Stanford, probó implantar opsinas de moscas de frutas a neuronas de ratones, con lo que demostró la efectividad de la optogenética, no obstante se enfrentó a múltiples obstáculos, como encontrar el tipo de luz que fuera eficaz para estimular las neuronas infectadas con opsinas, dado que éstas presentaban inconvenientes para adaptarse al nuevo sistema biológico.
Fue hasta 2005 que Deisseroth, junto con el Dr. Boyden y el Dr. Zhan, Ernst Bamberg (del Instituto de Biofísica Max Planck) y Gerog Nagel (Universidad de Würzburg), publicaron un documento donde explicaban que la opsina conocida como canaldopsina-2 o ChR2 (desprendida de la alga Chlamydomonas reinhardtii) reaccionaba en neuronas de mamíferos con luz azul (de 473 nm).
Una vez implantadas las opsinas, la optogenética permite la manipulación de las neuronas con mucha precisión, para ello, es necesario que las neuronas expresen en toda su membrana el canal ChR2, por lo que se deben utilizar sistemas lentivirales o adenovirales con la capacidad de infectar e incorporar el material genético a las neuronas, de esa manera es más probable que respondan a la luz.

La aplicación del método permitirá identificar las causas y funciones de la actividad de grupos definidos de neuronas (entender el cableado celular del cerebro), así como el efecto que generan en la conducta de las personas. Fue de este modo que los investigadores del Massachusetts, liderados por el Dr. Susumu Tonegawa, descubrieron la existencia de una red cerebral que se activan en el proceso de creación de un recuerdo, al mismo tiempo que generan cambios físicos y químicos, y expresan dicho recuerdo al exponerse a estímulos como imágenes u olores particulares. Estas neuronas son conocidas como “células de engramas de memoria”.
Demostraron que los cambios químicos generados en este proceso son duraderos, y es conocido como consolidación de la memoria o “potenciación a largo plazo”, éste implica el fortalecimiento de la sinapsis, que a su vez permite las formación de estructuras de neuronas que se envían señales unas a otras generando el aprendizaje y la experiencia.
Una vez demostrado esto, los investigadores se preguntaron lo que sucedía con los recuerdos que no tienen el proceso de consolidación, así que realizaron un experimento con ratones: administraron un compuesto llamado anisomicina que bloquea la síntesis de proteínas dentro de las neuronas inmediatamente después de que los ratones formaron un nuevo recuerdo, de ese modo evitaron que las sinapsis se fortalecieran. Al día siguiente intentaron recuperar la memoria de los roedores exponiéndolos a estímulos emocionales, sin embargo no pudieron recuperar sus recuerdos, sino hasta que reactivaron la síntesis de proteínas utilizando herramientas optogenéticas.

«Si pruebas la recuperación de la memoria con desencadenantes naturales en un animal tratado con anisomicina, será amnésico, y no se podrá inducir la recuperación de la memoria», señaló el Dr. Tonegawa. «Pero si se va directamente a las células de engramas y se activan con luz, se puede restaurar la memoria, a pesar de que no ha habido potenciación a largo plazo».
Pero las aplicaciones van más allá, ya que también permitirá identificar las poblaciones de células implicadas en distintos padecimientos, y los posibles tratamientos para los mismos. Por ejemplo, el grupo de neuronas que responde al tratamiento del Parkinson a través de estimulación eléctrica, fue identificado recientemente por medio de la optogenética.
También ha funcionado para controlar ataques epilépticos en modelos de animales experimentales, y ha permitido descubrir el papel primordial que fungen las neuronas dopaminérgincas que generan adicción a la cocaína. Mientras que el control neuronal del sueño y la vigilia ha podido ser manipulado a voluntad mediante la misma técnica.
Actualmente, investigadores suizos y alemanes desarrollaron una proteína sensible a la luz, que implantada a otras no sensibles de ratones ciegos, las convirtieron en fotosensibles, dando como resultado que los animales recuperaran la vista. Éstos padecían una ceguera hereditaria que padecen millones de personas en el mundo, lo que abre la posibilidad de aplicarse a seres humanos.

Por otro lado, en Estados Unidos se ha demostrado que la luz puede utilizarse para activar y desactivar los receptores opioides del cerebro que gestionan el dolor y la recompensa, los que generalmente son manejados con fármacos. Con este hallazgo se pretende generar fórmulas de control que no produzcan efectos secundarios como los de las drogas. Además, otros investigadores están realizando pruebas de cómo tratar el daño cerebral en veteranos de la Guerra del Golfo con luz roja e infrarroja.
Sin duda, la optogenética está generando innumerables beneficios, y significa un gran avance en el campo de la neurociencia. Que no nos quepa duda que en un futuro no tan lejano sea posible implantarnos recuerdos a través de la luz, como ocurre en el relato: “Podemos recordarlo por usted al por mayor” de Philips K. Dick (y que inspiró la película el “Vengador del Futuro” con A. Schwarzenegger).
Referencias:
Avance y perspectiva Vol. 4 No. 3 Nueva época / julio septiembre 2012
Tendencias 21
Neurociencia para Psicólogos