“Optogenética” es probablemente la palabra más de moda en la neurociencia actual. Se refiere a técnicas que modifican genéticamente las neuronas para que puedan ser manipuladas con la luz. El resultado es un interruptor que puede encender y apagar las células del cerebro como si fuesen una lámpara.

La técnica ha permitido a los neurocientíficos lograr hazañas antes inimaginables, y dos de sus inventores –Karl Deisseroth de la Universidad de Stanford y el Instituto Médico Howard Hughes y Ed Boyden del Massachusetts Institute of Technology – recibieron el pasado 8 de noviembre un Breakthrough Prize en ciencias de la vida, en reconocimiento de sus esfuerzos. La tecnología es capaz de controlar de forma remota circuitos motores, y por ejemplo puede mantener a un animal corriendo en círculos con el simple accionamiento de un interruptor. Puede incluso alterar los recuerdos que forma un ratón cuando explora diferentes entornos. Este tipo de estudios permiten a los investigadores establecer firmes relaciones causa-efecto entre la actividad eléctrica de circuitos neuronales específicos y ciertos aspectos de la conducta y la cognición, convirtiendo a la optogenética en uno de los métodos más utilizados en la neurociencia actual.

A medida que su popularidad se dispara, se van agregando nuevas herramientas al arsenal optogenético. Los últimos avances prometen ofrecer el mayor salto de la tecnología desde sus inicios. Los investigadores han ideado maneras de utilizar la optogenética para facilitar diálogos dinámicos con las señales del interior de cerebros funcionales.

El término optogenética se refiere generalmente al control de las neuronas. Los investigadores insertan en las células un gen que codifica para una proteína sensible a la luz, y por lo tanto,  estas células producen la proteína en sus superficies. Cuando estas células son posteriormente expuestas a la luz, los canales se abren y partículas cargadas (iones de sodio positivos) se precipitan hacia dentro, haciendo que la célula "dispare" una "chispa" que envía una señal eléctrica a otras células. Las proteínas más comúnmente utilizadas son los "channelrhodopsins" o canales de rhodopsina, originalmente descubiertos en las algas. Pero también hay una proteína bacteriana hallada en lagos de sal egipcios que tiene el efecto contrario: permite la entrada en la célula de iones negativos de cloro, impidiéndola disparar. De esta manera los investigadores pueden utilizar estas dos proteínas para activar y desactivar neuronas mediante la luz. La iluminación se consigue a través de cables de fibra óptica, permitiendo a los investigadores manipular las neuronas de animales en movimiento libre y observar los efectos en su comportamiento.

Los genes son introducidos por diversas técnicas de manipulación genética. Diferentes genes se expresan en diferentes tipos de células, por lo que el gen va acompañado de una secuencia genética, llamada promotor, que solo está activa en tipos celulares específicos, asegurando así que la proteína se produce solamente en la diana deseada.

De manera más general, la optogenética se refiere a cualquier método para comunicarse con células usando la genética y la óptica; y eso puede significar la observación de la actividad celular, no solo el encender o apagar neuronas. Anteriormente se han utilizado enfoques no genéticos, como colorantes fluorescentes que aumentan la iluminación de las células cuando están activas, pero que carecen de la precisión para focalizarse en un tipo particular de célula.

Una nueva forma de ver lo que está sucediendo con las células utiliza el mismo método dirigido de activación y desactivación de circuitos , con la diferencia que ahora las proteínas indicadoras están integradas en las células seleccionadas a través de ajustes genéticos. Los indicadores generalmente consisten en una proteína sensible a la actividad celular, unida a una proteína fluorescente, de manera que se ilumina en respuesta al disparo de una célula. La combinación de estas lecturas ópticas genéticamente específicas con el arsenal de herramientas estándar para el control de la actividad celular, permite expandir el potencial de la optogenética. La técnica combinada permite a los investigadores sostener conversaciones bidireccionales con poblaciones específicas de neuronas, utilizando solo los pulsos de luz. Una vez que se superen algunas dificultades técnicas, los investigadores serán capaces de llevar a cabo este diálogo con las neuronas individuales, en tiempo real, permitiendo un nivel de interacción con cerebros despiertos, en funcionamiento, que no ha sido posible hasta ahora.

En la reciente reunión de la Sociedad para la Neurociencia en Chicago, varios investigadores hablaron del "interrogatorio totalmente óptico de circuitos neuronales", y co-escribieron un artículo de revisión en la revista Journal of Neuroscience. Allí describieron los retos existentes y el trabajo pionero que se está haciendo para superar estos obstáculos. El enfoque tiene el potencial para arrojar luz –en términos literales– sobre la relación entre la actividad cerebral y la cognición, el comportamiento y la emoción. Este objetivo se ajusta bien a la iniciativa BRAIN de Estados Unidos, que tiene como objetivo desarrollar nuevas herramientas para explorar la relación entre las señales neuronales y la cognición.  

Uno de los ponentes y co-autores fue el neurocientífico y psiquiatra Deisseroth de la Universidad de Stanford, cuyo trabajo original en células fotosensibles basadas en canales de rhodopsina fue el que mereció –junto a su colega Boyden–el reciente Breakthrough Prize. La investigación de Deisseroth siempre ha tenido un ojo en la psiquiatría.

Este nuevo trabajo se centra en superar las limitaciones de las técnicas existentes. Los aparatos de activación óptica utilizan principalmente dos tipos de indicadores insertados genéticamente. Los indicadores de calcio explotan el hecho de que cuando las neuronas disparan, los canales de calcio en las células se abren, causando aumento de niveles de calcio. Estos indicadores utilizan este hecho para deformar una proteína sensible al calcio que está vinculada a una proteína fluorescente que emite luz. El principal problema es la velocidad. "Las señales de calcio son lentas, duran un segundo o así, y el cerebro es un poco más rápido que esto", dice Thomas Knöpfel, presidente de Optogenetics y Circuit Neurosciences en el Imperial College de Londres, quien no participó en la sesión. Por otra parte, los niveles de calcio pueden cambiar aunque las neuronas no estén disparando, y hay algunos cambios importantes que no provocan disparos neuronales y por lo tanto no alteran los niveles de calcio. Esto se debe a que el calcio es un indicador secundario de la señal que interesa realmente a los investigadores: el voltaje.

Knöpfel ha estado desarrollando indicadores de voltaje codificados genéticamente (GeViS) durante 20 años. El problema principal, en comparación con los indicadores de calcio, es que las señales son más débiles y difíciles de detectar. Los problemas se ven agravados cuando las señales son más rápidas y requieren tiempos de exposición más cortos. Las señales también tienden a contener más ruido.

Otro reto es la observación o estimulación de células profundas en el interior del cerebro. La microscopía tradicional de fotones individuales sufre de pobre penetración y calidad de imagen, ya que los fotones son absorbidos y dispersados ​​por el tejido. La microscopía de dos fotones supera este problema utilizando luz cerca del infrarrojo. La luz de mayor longitud de onda penetra en el tejido, pero debido a que los fotones tienen menos energía, se requiere que dos fotones golpeen la proteína para excitarla, de ahí el nombre de la tecnología. Esto tiene la ventaja de que solo se estimulan las proteínas en el diminuto foco del haz de luz, pero también significa que ­–cuando se trata de estimular una neurona– pocos canales son activados, pudiendo no ser suficiente para desencadenar un pico de activación.

Hay dos maneras de resolver este problema: uno es mediante el uso de rayos láser de barrido, que escanean rápidamente un haz láser a través de un objetivo (ya sea una o varias células), activando muchos canales secuencialmente. El otro implica aproximaciones paralelas, que utilizan técnicas holográficas para dar forma a un láser en el patrón requerido, iluminando toda la diana a la vez. Este método puede incluso producir patrones de iluminación tridimensionales que estimulan células a diferentes profundidades. La principal ventaja es la velocidad. "Las aplicaciones que requieren un control preciso sobre el pico de activación funcionan mejor utilizando enfoques paralelos", dice Valentina Emiliani del laboratorio de neurophotonics de la Universidad Descartes de París, autora líder de la revisión que presentó el trabajo holográfico en la conferencia.

El mayor obstáculo, sin embargo, es que tanto la estimulación y el registro de actividad con la luz provoca problemas si las longitudes de onda se superponen. Esto es un reto especialmente complejo porque las proteínas utilizadas como indicadores son excitadas por la luz con el fin de emitir luz. "Los compuestos utilizados para obtener imágenes y foto-estimulación tienen espectros muy superpuestos", dice Emiliani. "Es difícil iluminar la muestra para sacar imágenes, y al mismo tiempo asegurarse de que no se foto-estimula". Asimismo, los investigadores deben tener cuidado de que las señales indicadoras que registran no estén dañadas por longitudes de onda utilizadas para la estimulación.

Por ello, gran parte del trabajo en este campo está enfocado en la búsqueda de proteínas cuyas longitudes de onda no se superpongan. Por ejemplo, el biofísico de la Universidad de Harvard Adam Cohen y su equipo presentaron un trabajo –junto con el grupo de Ed Boyden en el MIT– que combina un canal de rhodopsina desplazado hacia longitudes de onda de color azul con un indicador de voltaje que emite en el infrarrojo cercano. Los grupos han utilizado un indicador denominado QuasAr en ratones vivos, y estimularon neuronas con luz azul mientras las monitoreaban en rojo, en cultivos de células madre derivadas de las personas con la enfermedad de Lou Gehrig. El siguiente paso será probar la combinación en animales vivos.

Una vez que estos retos sean superados, las técnicas de activación ópticas podrían revolucionar la neurociencia, al permitir a los investigadores controlar y monitorear simultáneamente picos de activación de neuronas individuales o grandes conjuntos de neuronas en animales de experimentación que se mueven libremente. "Este enfoque abrirá toda una nueva gama de experimentos", dice Michael Hausser, neurocientífico del University College de Londres, quien co-presidió la sesión de la conferencia junto Emiliani. "Liberar el potencial completo de la optogenética requiere ir más allá de manipular células genéticamente definidas; se quiere manipular células de acuerdo a sus propiedades funcionales, en lugar de la simple identidad genética".

En otras palabras, en lugar de solo monitorear pasivamente, u observar los resultados de un experimento en que el nivel de estimulación de las neuronas está cuidadosamente planeado de antemano, estas innovaciones permitirán a los investigadores decidir la forma en que estimulan las células en función de cómo las células se comportan. "Si uno puede adaptar la estimulación a los patrones de actividad, puede hacer la manipulación sobre la marcha", explica Hausser. "Por ejemplo, durante un experimento de toma de decisiones, si se puede rastrear la actividad de conjuntos de neuronas en tiempo real, se puede influir en el comportamiento de manera más eficaz, manipulando estos conjuntos a medida que se forman."

"Estos son dos avances revolucionarios en comparación con lo que podíamos hacer antes: controlar conjuntos funcionales y manipular la actividad en tiempo real", afirma Hausser. "En última instancia estos enfoques podrían ayudarnos a definir los códigos neuronales utilizados por el cerebro para dirigir el comportamiento".