El cerebro de los mamíferos, con su mayor exponente en el cerebro humano, presenta una complejidad tan extraordinaria que su estudio se considera una de las fronteras de la ciencia moderna. El cerebro está formado por billones de células nerviosas (neuronas) que forman circuitos neuronales en los que participan cientos, en ocasiones miles de neuronas organizadas con extraordinaria precisión. La neurociencia ha chocado tradicionalmente contra esta increíble complejidad que dificulta el estudio del cerebro, y retrasa la identificación de los sistemas dañados en enfermedades neurológicas. Para solucionar este misterio de la biología, los científicos buscan nuevas tecnologías que les permitan identificar la función de conexiones neuronales y circuitos concretos encargados de controlar funciones específicas (por ejemplo comer, dormir, etc).

Desde hace diez años el estudio de la función cerebral cuenta con un aliado insólito: algas y microbios varios. A pesar de su sencillez, numerosos microorganismos han desarrollado una colección de moléculas fotosensibles (activadas o inhibidas por la luz) que les permiten regular distintos aspectos de su ciclo vital. Una familia de estas proteínas sensibles a la luz denominadas genéricamente canalrodopsinas, atrajeron rápidamente la curiosidad de los neurocientíficos ya que sus propiedades fotosensibles se encuentran asociadas a canales iónicos. A pesar de provenir de microorganismos y algas, estos canales iónicos son muy similares a los empleados por las neuronas para transmitir la información en el cerebro. Tanto en microorganismos como en células nerviosas, los canales iónicos permiten la entrada de partículas cargadas (iones) en las neuronas, lo cual genera corrientes eléctricas de infinitesimal magnitud, pero suficientes para activar la función neuronal. En 2005, uno de estos sorprendentes canales fotosensibles, canalrodopsina-2 (ChR-2, del inglés channelrhodopsin) fue introducido por primera vez en el tejido nervioso de mamíferos por los Drs. Karl Deisseroth y Ed Boyden en la Universidad de Stanford. Una nueva tecnología había nacido: la optogenética, y con ella la capacidad de encender y apagar la actividad neuronal aplicando pulsos de luz, como si de un interruptor se tratara.

Desde hace diez años el estudio de la función cerebral cuenta con unos aliados insólitos: algas y microbios varios

La técnica presentaba tal potencial que la polémica no tardo en llegar. Los dos protagonistas, los Drs. Deisseroth y Boyden (en aquel momento un investigador postdoctoral a cargo del proyecto), aún se disputan el crédito del descubrimiento, sin que ello haya minado su prestigio profesional (el Dr. Boyden es en la actualidad profesor en el MIT), ni el avance meteórico de la técnica.

El uso de interruptores neuronales como las canalrodopsinas, promete profundizar en la complejidad de la función cerebral activando circuitos neuronales concretos. Imaginemos, por ejemplo, la posibilidad de calmar comportamientos tan complejos y difíciles de combatir como una adicción, o controlar patrones tan básicos como la ingestión de alimentos en personas donde están alterados.

Sin embargo, alcanzar esta nueva frontera del conocimiento depende de solucionar dos problemas básicos; por una parte, encontrar estrategias para introducir moléculas fotosensibles en el tejido nervioso y en segundo lugar, llevar la luz a las regiones de interés a través del interior del cráneo. Afortunadamente ambos obstáculos han sido solventados para el estudio de animales en el laboratorio, aunque aún queda trecho por recorrer antes de que podamos ver terapias en seres humanos.

El primer problema, convencer a las neuronas para que produzcan canalrodopsinas, se ha resuelto modificando la secuencia de las dichas moléculas. Estas canalrodopsinas mutadas, mantienen las propiedades de las proteínas originales, pero contienen nuevas secuencias que permiten su inserción en células de mamíferos. Así, en la actualidad, se encuentran disponibles para la experimentación distintos tipos de ratones transgénicos que expresan canalrodopsinas en diferentes regiones del cerebro.

Respecto al segundo problema, iluminar específicamente regiones del cerebro sin comprometer su función, presenta un reto complejo al que los científicos han encontrado una solución poco elegante: abrir un agujero en el cráneo para implantar una fibra óptica miniaturizada. De hecho, este tipo de cirugía, (denominada craneotomía) es un procedimiento habitual en humanos con lesiones cerebrales y a pesar de su aparente complejidad conlleva pocas molestias, en parte porque el tejido cerebral no contiene receptores del dolor. En el caso de animales destinados a este tipo de experimentación, además es necesario implantar un sistema de estimulación lumínica, también de reducidas dimensiones. Esta estrategia permite evaluar cambios en el comportamiento, así como la habilidad en distintas tareas de aprendizaje y memoria en respuesta a la activación de la fibra óptica.

Gracias a la combinación de genética e ingeniería, la optogenética ha demostrado su potencial no solo como herramienta de laboratorio sino como promesa terapéutica. Hasta la fecha, la estimulación de circuitos neuronales específicos ha proporcionado indicios sobre las conexiones que podrían verse afectadas en diversas enfermedades neurológicas como la enfermedad de Parkinson o la esquizofrenia. Mediante la estimulación específica y controlada, solo posible con esta tecnología, comenzamos a entender el modo en que determinadas neuronas regulan comportamientos y enfermedades complejas, y abriendo las puertas de nuevos tratamientos.

Resolver el misterio del cerebro puede compararse a resolver el enigma de la condición humana, por lo que no está exento de ironía que los organismos más simples puedan esconder la llave a tal conocimiento. Con sus curiosas técnicas de supervivencia, los microorganismos han desarrollado una batería de sofisticadas moléculas que han dado lugar a una de las técnicas con mayor potencial de la neurociencia. Sin duda, el futuro de la optogenética, además de superar los retos indicados anteriormente, pasa por la optimización de las moléculas microbianas en las que se basa. Por este motivo, científicos de todo el mundo se encuentran embarcados en la empresa de identificar nuevas proteínas fotosensibles para controlar no solo la apertura de canales iónicos sino otras funciones neuronales como la expresión génica y la migración celular. En la actualidad, las nuevas herramientas de optogenética se expanden con rapidez (p. ej. desarrollo de moléculas para inhibir la actividad neuronal), y las ya existentes se rediseñan para conseguir un mejor rendimiento. Tal es la popularidad de la técnica, que ya ha empezado a colonizar otras áreas de la medicina. Un ejemplo son las recientes aplicaciones para inducir la contracción de células cardiacas e incluso la estimulación de la retina en ratones ciegos.

Mediante la estimulación específica y controlada, solo posible con esta tecnología, comenzamos a entender el modo en que determinadas neuronas regulan comportamientos y enfermedades complejas, y abriendo las puertas de nuevos tratamientos

No es por lo tanto descabellado imaginar un futuro en el que un paciente de Parkinson, una dolencia que compromete la actividad de un tipo concreto de neuronas, pudiera activar esta población neuronal mediante un dispositivo semejante a un marcapasos. El destino de la optogenética es cambiar la forma en la que tratamos las enfermedades mentales y posiblemente otras patologías. Con su potencial para activar (o inhibir) circuitos neuronales específicos, esta técnica podría sustituir a las terapias farmacológicas convencionales y eliminar las complicaciones derivadas de sus numerosos efectos secundarios.

El destino de la optogenética es cambiar la forma en la que tratamos las enfermedades mentales y posiblemente otras patologías

Además de sus aplicaciones terapéuticas, el control de la mente y el comportamiento humano con luz, y de manera remota, tal vez ya esté inspirando en el lector toda clase de teorías conspiracionistas en las que se intenta manipular la conducta de las masas insertándonos cables de fibra óptica en el cráneo. Sin duda, las dudas éticas también forman parte del futuro de la optogenética, aunque desde luego la intención de los neurocientíficos es no caer en el lado oscuro. 

Referencias

• Boyden, E.S. et al. 2005. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience 9:1263-8.
• Boyden, E.S. 2011. A history of optogenetics: the development of tools for controlling brain circuits with light. F1000 Biol Rep. 3: 11.
• Deisseroth, K. 2015. Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nat Neurosci. 18:1213-25.