Optogenética: la técnica que convirtió la luz en una herramienta para estudiar el cerebro

El reconocimiento a Karl Deisseroth, Peter Hegemann y Georg Nagel por sus aportaciones al desarrollo de la optogenética destaca una de las herramientas que más ha transformado la investigación moderna del cerebro.

La técnica combina genética y luz para controlar la actividad de determinadas neuronas, permitiendo a los investigadores estudiar con una precisión extraordinaria cómo funcionan los circuitos relacionados con la memoria, las emociones, el dolor, la motivación y el comportamiento.

Su origen se remonta a investigaciones realizadas en organismos unicelulares. A partir de esos descubrimientos, los científicos desarrollaron métodos para utilizar proteínas sensibles a la luz en células nerviosas, convirtiéndolas en una especie de “interruptores” controlables mediante luz.

¿Qué es la optogenética?

La optogenética es una técnica que permite modificar la actividad de células vivas mediante proteínas que responden a determinadas longitudes de onda.

Para hacerlo, los investigadores introducen en determinadas células genes capaces de producir proteínas sensibles a la luz, como las canalrodopsinas. Cuando estas proteínas reciben el estímulo luminoso adecuado, permiten el movimiento de iones a través de la membrana celular y modifican la actividad eléctrica de la neurona.

Esto permite activar o inhibir poblaciones neuronales seleccionadas con una precisión temporal de milisegundos.

¿Cómo comenzó este descubrimiento?

Los trabajos de Peter Hegemann y Georg Nagel fueron fundamentales para comprender las proteínas fotosensibles presentes en microorganismos como Chlamydomonas.

Posteriormente, Karl Deisseroth y otros investigadores desarrollaron estrategias para utilizar estas proteínas en neuronas de mamíferos.

El resultado fue una herramienta capaz de responder una pregunta que durante mucho tiempo había sido difícil de resolver en neurociencia:

¿Qué sucede cuando se activa o se inhibe específicamente un determinado grupo de neuronas?

Esta posibilidad permitió estudiar circuitos cerebrales con un nivel de precisión que las técnicas anteriores no podían proporcionar.

¿Por qué cambió la investigación del cerebro?

Durante décadas, los científicos podían identificar regiones cerebrales relacionadas con determinadas funciones, pero muchas técnicas no permitían determinar qué poblaciones neuronales concretas eran responsables de ellas.

La optogenética cambió este escenario.

Al poder manipular grupos específicos de neuronas y observar las consecuencias, los investigadores pueden estudiar relaciones de causa y efecto, no solamente asociaciones.

Gracias a esta herramienta se han investigado circuitos relacionados con:

Memoria y aprendizaje.

Miedo y otras respuestas emocionales.

Dolor.

Recompensa y motivación.

Formación de hábitos.

Toma de decisiones.

Adicción.

Control del movimiento.

¿Qué ha permitido descubrir sobre los recuerdos?

Uno de los campos más interesantes es el estudio de los llamados engramos de memoria, grupos de neuronas cuya actividad está relacionada con determinados recuerdos.

En modelos animales, la optogenética ha permitido identificar poblaciones neuronales que participan en el almacenamiento y recuperación de información y estudiar qué ocurre cuando esas células son activadas o inhibidas.

Sin embargo, esto no significa que actualmente podamos controlar, borrar o modificar recuerdos humanos mediante un interruptor de luz.

La investigación permite comprender mejor los mecanismos neuronales de la memoria, pero todavía existe una enorme distancia entre estos experimentos y cualquier aplicación de control de recuerdos en personas.

¿Puede ayudar a tratar enfermedades?

La optogenética ha abierto líneas de investigación relacionadas con diversas enfermedades neurológicas y psiquiátricas.

Entre ellas se encuentran:

Parkinson, para estudiar y modular circuitos relacionados con el movimiento.

Epilepsia, mediante investigaciones destinadas a controlar poblaciones neuronales involucradas en las crisis.

Depresión y otros trastornos psiquiátricos, para comprender mejor los circuitos implicados.

Alteraciones visuales, donde se han desarrollado estrategias basadas en proteínas sensibles a la luz para intentar recuperar determinadas funciones de la retina.

Estas aplicaciones son prometedoras, pero la mayoría todavía se encuentra en investigación experimental o en etapas clínicas tempranas. La optogenética no es actualmente un tratamiento estándar para Parkinson, Alzheimer, depresión o epilepsia.

La restauración de la visión es una de las áreas más avanzadas

Uno de los campos en los que la investigación ha llegado más cerca de una aplicación clínica es el de determinadas enfermedades visuales.

Los investigadores han explorado la posibilidad de introducir proteínas fotosensibles en células de la retina para que puedan responder nuevamente a la luz.

Los primeros estudios en seres humanos han mostrado que este enfoque es técnicamente posible y que puede producir cierta recuperación funcional en casos seleccionados, aunque todavía existen importantes limitaciones y se requiere más investigación.

¿Qué retos todavía existen?

A pesar de sus enormes posibilidades, la optogenética enfrenta varios obstáculos antes de convertirse en una herramienta médica ampliamente utilizada.

Entre ellos se encuentran:

Introducir las proteínas fotosensibles de manera segura y precisa.

Dirigirlas únicamente a las células que se desean modificar.

Proporcionar luz suficiente al tejido objetivo.

Evitar efectos adversos a largo plazo.

Desarrollar métodos menos invasivos para su utilización en seres humanos.

Determinar qué pacientes podrían beneficiarse realmente de estas estrategias.

También existen cuestiones éticas importantes. La posibilidad futura de modificar determinados circuitos relacionados con la memoria, las emociones o la conducta plantea preguntas sobre autonomía, identidad y límites de la intervención sobre el cerebro.

¿La optogenética permite controlar la mente?

No.

Esta es una de las principales exageraciones que pueden surgir al hablar de esta tecnología.

La optogenética permite manipular determinados circuitos neuronales bajo condiciones experimentales muy controladas, principalmente en animales. No significa que los científicos puedan controlar libremente los pensamientos, recuerdos o personalidad de una persona.

Su verdadero valor está en que permite estudiar cómo determinados circuitos contribuyen a una función cerebral.

¿Qué significa para el futuro de la neurociencia?

La importancia de la optogenética va mucho más allá de poder activar una neurona con luz.

La técnica proporciona una forma de investigar el cerebro desde una perspectiva causal: manipular una población neuronal concreta y observar qué función desempeña.

Esto puede ayudar a comprender mejor cómo surgen los recuerdos, cómo se regulan las emociones y qué cambios ocurren en enfermedades neurológicas y psiquiátricas.

También podría contribuir al desarrollo de terapias más específicas en el futuro, aunque todavía se necesitan numerosos estudios para determinar cuáles de estas posibilidades podrán convertirse en tratamientos seguros y eficaces.

Un cambio de paradigma

La optogenética convirtió la luz en una herramienta para investigar uno de los órganos más complejos de la naturaleza.

Lo que comenzó con el estudio de proteínas sensibles a la luz en organismos microscópicos terminó proporcionando a la neurociencia una manera extraordinariamente precisa de estudiar circuitos neuronales.

Su impacto ya es evidente en la investigación científica. El siguiente desafío será determinar cuánto de este conocimiento puede trasladarse de forma segura a la medicina humana.

Más que permitir actualmente “controlar los recuerdos”, la verdadera revolución de la optogenética consiste en algo más fundamental: nos permite acercarnos a comprender qué grupos de neuronas participan en los procesos que hacen posible recordar, sentir, aprender y actuar.

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