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Interruptores de luz para neuronas
Hace apenas cinco años, los científicos de la Universidad de Stanford descubrieron que las neuronas inyectadas con un gen fotosensible de las algas podían encenderse o apagarse con solo tocar un interruptor de luz. Desde entonces, este descubrimiento ha convertido a cientos de laboratorios en el campo joven de la optogenética. En la actualidad, investigadores de todo el mundo están utilizando estos interruptores de luz genéticos para controlar neuronas específicas en animales vivos, observando sus roles en una creciente variedad de funciones y enfermedades cerebrales, incluida la memoria, la adicción, la depresión, la enfermedad de Parkinson y la lesión de la médula espinal.
Iluminando el camino: Las nuevas técnicas en optogenética permiten controlar neuronas individuales y circuitos cerebrales completos con pulsos de luz. Aquí, los cables de fibra óptica envían luz azul a los centros de recompensa del cerebro del ratón, lo que los condiciona para que prefieran una cámara sobre otra.
Ahora Karl Deisseroth , uno de los pioneros de la técnica, ha agregado algunas nuevas herramientas al repertorio optogenético que pueden hacer avanzar el estudio de este tipo de enfermedades, a la velocidad de la luz. Una técnica molecular que controla circuitos completos de neuronas en lugar de una sola célula permitirá a los científicos estudiar el papel de redes neuronales específicas en el cerebro. Una nueva técnica de infrarrojo cercano que llega a las células cerebrales en el tejido profundo podría permitir a los científicos utilizar estas técnicas de forma no invasiva; actualmente, deben implantar un cable de fibra óptica en el cerebro de un animal para activar la luz en dichas células. Y un interruptor de apagado mejorado que hace que las neuronas objetivo sean más sensibles a la luz permite un control neuronal más estricto. El grupo publicó sus resultados en la edición del 2 de abril de la revista. Celda .
Hasta la fecha, los científicos se han concentrado principalmente en dos interruptores de luz, u opsinas, para activar o inhibir las neuronas. La primera, la canalrodopsina, es una proteína que se encuentra en las membranas celulares de las algas verdes. Cuando se exponen a la luz azul, estas proteínas abren canales de membrana, dejando entrar iones de sodio y calcio. Cuando se manipulan genéticamente en neuronas de mamíferos, estas proteínas provocan afluencias de iones similares que activan las neuronas. El segundo interruptor de luz, una bomba de iones llamada halorhodopsin, deja entrar iones de cloruro en respuesta a la luz amarilla, silenciando la neurona.
Sin embargo, el interruptor de luz de halodopsina tiene algunos inconvenientes. No silencia las neuronas con tanta eficacia y puede acumularse y tener efectos tóxicos en las células cerebrales. El equipo de Deisseroth ha desarrollado un interruptor de apagado más eficaz aprovechando un fenómeno llamado tráfico de membranas. En lugar de mantener la clorhodopsina dentro de la célula, Deisseroth esencialmente diseñó instrucciones moleculares para guiar las opsinas a través de la célula, hacia la membrana exterior, donde puede responder más fácilmente a la luz y abrir los canales iónicos para inhibir las neuronas.
Las proteínas se envían alrededor de una célula y se trafican de un lugar a otro con una complejidad increíble, dice Deisseroth. Tuvimos que proporcionar el equivalente a códigos postales, trozos de ADN en las opsinas, para que se trasladen correctamente a la superficie de la membrana. (Ed Boyden, neurocientífico del MIT y otro pionero de la optogenética, también ha desarrollado interruptores de apagado más efectivos, utilizando proteínas de hongos y bacterias).
El equipo descubrió que este nuevo interruptor de apagado responde 20 veces más a la luz amarilla que las generaciones anteriores. Los investigadores también encontraron que, si bien el amarillo parece ser el punto óptimo a lo largo del espectro de luz para activar el interruptor de apagado, la luz roja y del infrarrojo cercano también pueden tener un efecto. Para Deisseroth, estos resultados sugieren una perspectiva tentadora: es bien sabido que cuanto más se acerca la luz al infrarrojo, más profundamente puede atravesar el tejido. Diseñar un interruptor de luz que encienda las neuronas en respuesta al infrarrojo podría abrir las puertas al control preciso de los circuitos en las profundidades del cerebro, lo que podría permitir tratamientos no invasivos para enfermedades como el Parkinson y la depresión.
Jerry Silver , profesor de neurociencia en la Case Western University, está particularmente entusiasmado con este nuevo interruptor de apagado. Silver está usando optogenética para explorar el control de la vejiga en la lesión de la médula espinal y ha estado usando la luz para apagar los nervios que relajan la vejiga. Estos nervios están ubicados en la parte inferior de la columna, un área especialmente vulnerable, y la generación actual de clorhodopsinas requiere una alta intensidad de luz para obtener un efecto medible.
Nos preocupaba que necesitáramos mucha luz, lo que genera mucho calor, dice Silver. Con estas nuevas herramientas que son más sensibles, es posible que no necesitemos tanta luz, que genera menos calor, y la luz puede invadir el tejido mucho más lejos, y es por eso que estoy tan emocionado con esta nueva generación.
Además de diseñar un poderoso interruptor de apagado, el equipo de Deisseroth superó otro obstáculo importante en optogenética: la activación de todo un circuito neuronal. Si bien los científicos pueden dirigir genéticamente interruptores de luz a tipos específicos de neuronas, es más difícil identificar y manipular genéticamente las células aguas abajo o aguas arriba de esas neuronas. Ser capaz de controlar circuitos completos de neuronas a la vez, a la velocidad de la luz, podría brindar a los científicos una mejor comprensión de las conexiones neuronales involucradas en tareas de comportamiento como el aprendizaje y la memoria, y enfermedades como la depresión y el trastorno obsesivo compulsivo.
Para activar un circuito neuronal, Deisseroth primero inyectó un interruptor de luz genética en una neurona motora de un ratón. Manipuló el interruptor para que solo funcionara en presencia de otra molécula, CRE. Deisseroth inyectó CRE, junto con una molécula de tráfico, en otra región del cerebro del ratón. La molécula de tráfico arrastra corporalmente CRE de una célula a otra, trazando una ruta de regreso a la neurona objetivo, dice. La CRE desbloquea el interruptor de la luz y, en presencia de luz azul, se activa la neurona y todo el circuito.
Creemos que supera, o da un paso hacia la superación, las principales limitaciones restantes de la optogenética, dice Deisseroth. El gran desafío es hacer que estas herramientas funcionen en modelos de enfermedades, y veo pacientes con autismo y depresión, y buscaremos [para usar estas herramientas] e intentaremos llegar a una comprensión del circuito de esas enfermedades.