Optogenética, la gran revolución del estudio del cerebro

La neurociencia tiene una cuenta pendiente. A pesar de su espectacular avance en las últimas décadas, hay una cosa que se le resiste: descifrar cómo funciona el complejo cableado del cerebro, para entender los mecanismos de la memoria y el comportamiento. Esa puerta para lograr la cura del alzhéimer, la depresión o el autismo sigue cerrada. Pero la llave puede estar en los genes de unas algas unicelulares sensibles a la luz, que han abierto una revolucionaria vía de investigación. La optogenética, nacida de la óptica y la genómica, es una técnica prometedora para comprender mejor los traumas y las enfermedades neurodegenerativas. Y al margen de promesas, ya ha logrado un éxito que parecía una quimera: la optogenética permite borrar malos recuerdos.

Desvelar y rediseñar nuestra memoria, un reto de la neurociencia desde hace un siglo, podría no quedar lejos. En la reconocida clasificación de la revista Science, la optogenética ocupó un lugar entre los diez avances científicos de 2014 gracias a un hallazgo sin precedentes del equipo liderado por el médico japonés Susumu Tonegawa, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Los investigadores no solo han sido capaces de etiquetar, en cerebros de ratones, las neuronas que almacenan un recuerdo, sino también de reactivarlas a voluntad con un rayo de luz azul. Así han logrado convertir la memoria de una mala vivencia en un buen recuerdo.

Sin necesidad de electrodos, la optogenética implica un control muy sutil de los mecanismos neuronales. Esta novedosa técnica consiste en inyectar en escogidos grupos de neuronas un virus benigno que contiene proteínas fotorreceptoras (denominadas opsinas) cuya información genética proviene de unas algas fotosensibles. Así las células neurales se vuelven sensibles a la luz. Las proteínas, que actúan como interruptores, encienden o apagan las neuronas en función de los destellos de luz enviados en milisegundos mediante cables de fibra óptica. Esos haces luminosos pueden estimular o suprimir determinados pensamientos y recuerdos.

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Experimento optogenético realizado con ratones (MIT)

Uno de los primeros problemas es cómo seleccionar las neuronas relevantes entre las 86.000 millones que campan en nuestro cerebro. Al activarse para construir un recuerdo, las neuronas producen proteínas específicas que pueden ser etiquetadas mediante la ingeniería genética con otras proteínas emisoras de luz, de forma que las células neuronales se iluminen cuando empiecen a fabricar un recuerdo. Los científicos ven algo parecido a las luces en las ventanas de un edificio de oficinas de noche que insinúan la ubicación de los trabajadores en su interior.

Los experimentos optogenéticos se han multiplicado desde que la técnica fuera descubierta en 2004 por el neurocientífico Karl Deisseroth, de la Universidad de Standford, utilizando proteínas microbianas para controlar los movimientos de pequeños organismos como nematodos o moscas de la fruta. Su grado de perfeccionamiento ha sido insólito desde entonces. En breve, la optogenética podrá utilizarse contra la ceguera, para tratar de devolver parte de la visión perdida con lesiones de retina. Su aplicación también podría sustituir los marcapasos cerebrales para el Parkinson, perfeccionar nuevas prótesis para la pérdida auditiva, revelar con más precisión el mecanismo responsable del sueño REM y mitigar la adicción en consumidores de cocaína.

Pero de momento el potencial de la optogenética reside en su capacidad para desnudar el laberinto funcional del cerebro, para desvelar cómo se graba un recuerdo y afloran los traumas, la depresión o la esquizofrenia. Al registrar un acontecimiento en la memoria, se conectan entre sí neuronas en zonas especializadas en tareas diferentes del cerebro. La ruta de almacenaje de un recuerdo tiene dos vías: los datos neutros (dónde y qué sucedió) se guardan en el hipocampo, la cara interior del encéfalo; y el significado emocional, en la amígdala.

El equipo de Tonegawa ha experimentado que un recuerdo puede sustituirse en el hipocampo, pero no en la amígdala, por lo que su valor emocional no podría borrarse. Sin embargo, estos investigadores del MIT han observado que las conexiones neuronales de ambas partes del cerebro se modifican al cambiar los recuerdos. Estas conclusiones se deben al trabajo aplicado en ratones, grabando y reproduciendo los recuerdos agradables con un haz luminoso sobre las neuronas y generando malos recuerdos mediante descargas eléctricas. Se ha comprobado que, si se le activa un recuerdo bonito, un ratón es capaz de quedarse en el lugar de la jaula que antes rehuía. Su actitud es opuesta a la de los ratones que asocian ese espacio con el mal recuerdo de la descarga.

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El calcio revela las conexiones entre neuronas (Qian Chen)

En la misma línea, investigadores del Colegio Universitario de Londres (UCL) han elaborado un estudio sin precedentes sobre el almacenaje y la manipulación de la actividad cerebral que permite determinar qué neuronas contribuyen a una determinada función. Su experimento, publicado el pasado diciembre en Nature Methods, combina la optogenética con otro método de vanguardia neurotecnológica: el calcium imaging, que detecta la activación neuronal al incrementar la concentración de calcio cuando empiezan los impulsos nerviosos. El equipo ha utilizado un modulador espacial que divide la luz en un holograma consistente en pequeños haces que, por ejemplo, activan de manera simultánea seis neuronas implicadas en formar una cara sonriente.

La nueva puerta que abre la optogenética podría significar el fin de la era del Prozac en favor del ascenso del denominado “imperio del ser humano basado en circuitos”. Pero habrá que esperar todavía unas décadas hasta que estos revolucionarios hallazgos, experimentados de momento solo en animales, puedan traducirse en avances para intervenir, sin cirugía ni fármacos, en los circuitos neuronales del cerebro humano.

Kristin Suleng para Ventana al Conocimiento