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Nueva caja de herramientas de neurociencia
Con la invención de la optogenética y otras tecnologías, los investigadores pueden investigar la fuente de las emociones, la memoria y la conciencia por primera vez. 17 de junio de 2014
Lo que podría llamarse la rama de hacer el amor, no la guerra, de la neurociencia del comportamiento comenzó a tomar forma en (¿dónde más?) California hace varios años, cuando los investigadores del laboratorio de David J. Anderson en Caltech decidieron abordar la biología de la agresión. Ellos iniciaron la línea de investigación orquestando la versión murina de Fight Night: incitaron a los ratones machos a enredarse con machos rivales y luego, con un minucioso trabajo de detective molecular, se concentraron en un puñado de células en el hipotálamo que se activaron cuando los ratones comenzaron. luchar.
El hipotálamo es una pequeña estructura en las profundidades del cerebro que, entre otras funciones, coordina las entradas sensoriales (la aparición de un rival, por ejemplo) con las respuestas conductuales instintivas. En la década de 1920, Walter Hess de la Universidad de Zúrich (que ganaría un Nobel en 1949) había demostrado que si clavaba un electrodo en el cerebro de un gato y estimulaba eléctricamente ciertas regiones del hipotálamo, podía convertir a un felino ronroneante en un borrón peludo de agresión. Varias hipótesis interesantes intentaron explicar cómo y por qué sucedió eso, pero no había forma de probarlas. Como muchas preguntas fundamentales en la ciencia del cerebro, el misterio de la agresión no desapareció durante el siglo pasado, simplemente chocó con los obstáculos empíricos habituales. Teníamos buenas preguntas pero no teníamos tecnología para obtener las respuestas.
Esta historia fue parte de nuestro número de julio de 2014
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En 2010, el laboratorio de Caltech de Anderson había comenzado a desentrañar los mecanismos subyacentes y los circuitos neuronales de la agresión en sus agresivos ratones. Armados con una serie de nuevas tecnologías que les permitieron enfocarse en grupos individuales de células dentro de las regiones del cerebro, tropezaron con un descubrimiento anatómico sorprendente: la pequeña parte del hipotálamo que parecía correlacionada con el comportamiento agresivo estaba entrelazada con la parte asociada con el impulso. para aparearse. Ese pequeño ducado de células —el nombre técnico es hipotálamo ventromedial— resultó ser un conjunto de aproximadamente 5.000 neuronas, todas jaspeadas, algunas de ellas aparentemente conectadas con la copulación y otras con la lucha.
No existe nada parecido a una neurona genérica, dice Anderson, quien estima que puede haber hasta 10,000 clases distintas de neuronas en el cerebro. Incluso las regiones diminutas del cerebro contienen una mezcla, dice, y estas neuronas a menudo influyen en el comportamiento en direcciones diferentes y opuestas. En el caso del hipotálamo, algunas de las neuronas parecían activarse durante la conducta agresiva, algunas de ellas durante la conducta de apareamiento y un pequeño subconjunto (alrededor del 20 por ciento) durante las peleas y el apareamiento.
Fue un descubrimiento provocador, pero también una reliquia de la neurociencia a la antigua. Estar activo no era lo mismo que provocar el comportamiento; fue solo una correlación. ¿Cómo supieron los científicos con certeza qué estaba desencadenando el comportamiento? ¿Podrían provocar que un ratón se peleara simplemente haciendo cosquillas en algunas células del hipotálamo?
Hace una década, eso hubiera sido tecnológicamente imposible. Pero en los últimos 10 años, la neurociencia ha sido transformada por una nueva tecnología notable llamada optogenética, inventada por científicos de la Universidad de Stanford y descrita por primera vez en 2005. Los investigadores de Caltech pudieron insertar un gen sensible a la luz modificado genéticamente en células específicas en particular ubicaciones en el cerebro de un ratón macho vivo, que respira, enérgico y ocasionalmente enganchado. Usando un hilo de fibra óptica delgado como un cabello insertado en ese cerebro vivo, podrían encender y apagar las neuronas en el hipotálamo con un estallido de luz.
Optogenética : Interruptores de luz para neuronas
Anderson y sus colegas utilizaron la optogenética para producir un video que dramatiza las tensiones de amor y odio en las profundidades de los roedores. Muestra a un ratón macho haciendo lo que es natural, apareándose con una hembra, hasta que los investigadores de Caltech encienden la luz, momento en el que el lotario murino se enfurece. Cuando la luz está encendida, incluso un ratón macho de modales suaves puede ser inducido a atacar cualquier objetivo que se encuentre cerca: su pareja reproductora, otro ratón macho, un macho castrado (normalmente no se percibe como una amenaza) o, lo más improbable, un guante de goma cayó en la jaula.
La activación de estas neuronas con técnicas optogenéticas es suficiente para activar el comportamiento agresivo no solo hacia objetivos apropiados como otro ratón macho, sino también hacia objetivos inapropiados, como hembras e incluso objetos inanimados, dice Anderson. Por el contrario, los investigadores pueden inhibir estas neuronas en medio de una pelea apagando la luz, dice: puedes detener la pelea en seco.
Además, la investigación sugiere que hacer el amor anula la guerra en el cálculo del comportamiento: cuanto más cerca estaba un ratón de la consumación del acto reproductivo, más resistente (o inconsciente) se volvía a los pulsos de luz que normalmente desencadenaban la agresión. En un artículo publicado en Psiquiatría biológica , titulado Optogenética, sexo y violencia en el cerebro: implicaciones para la psiquiatría, señaló Anderson, tal vez el imperativo de 'hacer el amor, no la guerra' esté integrado en nuestro sistema nervioso, en mayor medida de lo que nos hemos dado cuenta. Podemos ser amantes y luchadores, con la más pequeña de las distancias neurológicas que separan los dos impulsos.
La optogenética y otras técnicas nuevas significan que los científicos pueden comenzar a identificar la función de miles de tipos diferentes de neuronas entre los aproximadamente 86 mil millones en el cerebro humano.
Nadie está sugiriendo que estemos a punto de implementar disyuntores neuronales para frenar el comportamiento agresivo. Pero, como señala Anderson, la investigación destaca un punto más amplio sobre cómo una nueva tecnología puede reinventar la forma en que se hace la ciencia del cerebro. La capacidad de la optogenética para convertir un campo de la ciencia en gran parte correlacional en uno que prueba la causalidad ha sido transformador, dice.
Lo radical de la técnica es que permite a los científicos perturbar una célula o una red de células con una precisión exquisita, la clave para esbozar los circuitos que afectan a varios tipos de comportamiento. Mientras que las tecnologías más antiguas, como las imágenes, permitían a los investigadores observar el cerebro en acción, la optogenética les permite influir en esa acción, jugando con partes específicas del cerebro en momentos específicos para ver qué sucede.
Y la optogenética es solo una de un conjunto de nuevas herramientas revolucionarias que probablemente desempeñarán un papel de liderazgo en lo que parece un apogeo para la neurociencia. Las principales iniciativas tanto en Estados Unidos como en Europa aspiran a comprender cómo el cerebro humano, esa cuajada enredada de tres libras de neuronas, tejido conectivo y circuitos, da lugar a todo, desde el pensamiento abstracto hasta el procesamiento sensorial básico y emociones como la agresión. Conciencia, libre albedrío, memoria, aprendizaje, todo está sobre la mesa ahora, mientras los investigadores usan estas herramientas para investigar cómo el cerebro logra sus efectos aparentemente misteriosos (ver Buscando la neurona del libre albedrío).
Conexiones
Hace más de 2.000 años, Hipócrates señaló que si desea comprender la mente, debe comenzar por estudiar el cerebro. No ha sucedido nada en los últimos dos milenios para cambiar ese imperativo, excepto las herramientas que la neurociencia está aportando a la tarea.
La historia de la neurociencia, como la historia de la ciencia misma, es a menudo una historia de nuevos dispositivos y nuevas tecnologías. El primer electrodo accidental de Luigi Galvani, que provocó la contracción del músculo de una rana, ha inspirado todas las sondas eléctricas posteriores, desde la picana para gatos de Walter Hess hasta el uso terapéutico actual de la estimulación cerebral profunda para tratar la enfermedad de Parkinson (aproximadamente 30.000 personas en todo el mundo ahora tienen electrodos implantados en sus cerebros para tratar esta afección). El parche permitió a los neuroanatomistas ver el reflujo y el flujo de iones en una neurona mientras se prepara para disparar. Y poco se dio cuenta Paul Lauterbur, cuando enfocó un fuerte campo magnético en una sola almeja desafortunada en su laboratorio en la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook a principios de la década de 1970, que él y sus colegas estaban sentando las bases para la resonancia magnética. Máquinas de imágenes (MRI) que han ayudado a revelar el paisaje interno y la actividad de un cerebro vivo.
Neuronas en crecimiento : Estudiar lo que sale mal
Pero son los avances en genética y herramientas genómicas durante los últimos años los que realmente han revolucionado la neurociencia. Esos avances hicieron posible las manipulaciones genéticas en el corazón de la optogenética. Incluso se pueden utilizar métodos de edición del genoma más recientes para alterar con precisión la genética de las células vivas en el laboratorio. Junto con la optogenética, estas herramientas significan que los científicos pueden comenzar a identificar la función de miles de tipos diferentes de células nerviosas entre los aproximadamente 86 mil millones en el cerebro humano.
Nada testifica más el valor de una nueva tecnología que el número de científicos que rápidamente la adoptan y la utilizan para reclamar nuevos territorios científicos. Como dice Edward Boyden, un científico del MIT que ayudó a desarrollar la optogenética: A menudo, cuando aparece una nueva tecnología, hay un poco de apropiación de tierras.
E incluso cuando los investigadores aprovechan esas oportunidades en genómica y optogenética, otros avances están apareciendo en escena. Un nuevo tratamiento químico permite ver directamente las fibras nerviosas en el cerebro de los mamíferos; los microelectrodos robóticos pueden escuchar a escondidas (y perturbar) células individuales en animales vivos; y las técnicas de imágenes más sofisticadas permiten a los investigadores unir células nerviosas y fibras en cortes cerebrales para crear un mapa tridimensional de las conexiones. Usando estas herramientas juntas para desarrollar una comprensión de la actividad del cerebro, los científicos esperan capturar el juego cognitivo más grande: la memoria, la toma de decisiones, la conciencia, enfermedades psiquiátricas como la ansiedad y la depresión y, sí, el sexo y la violencia.
Los científicos especularon que si pudieras pasar de contrabando el gen de una proteína sensible a la luz a una neurona y luego pulsar la célula con luz, podrías activarla para que se dispare. Podrías activar y desactivar neuronas específicas.
En enero de 2013, la Comisión Europea invirtió mil millones de euros en el lanzamiento de su Proyecto Cerebro Humano, una iniciativa de 10 años para mapear todas las conexiones en el cerebro. Varios meses después, en abril de 2013, la administración Obama anunció una iniciativa llamada Brain Research through Advanced Innovative Neurotechnologies (BRAIN), que se espera que invierta hasta $ 1 mil millones en el campo, con gran parte de la financiación inicial destinada al desarrollo de tecnología. Luego está el Proyecto Conectoma Humano, que tiene como objetivo utilizar imágenes de microscopio electrónico de cortes secuenciales de tejido cerebral para mapear las células nerviosas y sus conexiones en tres dimensiones. Se están poniendo en marcha iniciativas complementarias de mapeo y conectoma en el Instituto Médico Howard Hughes de Virginia y el Instituto Allen de Ciencias del Cerebro en Seattle. Todos ellos son parte de un gran esfuerzo global, financiado con fondos públicos y privados, para construir una imagen completa del cerebro humano, desde el nivel de genes y células hasta el de conexiones y circuitos.
En diciembre pasado, como paso inicial en la Iniciativa BRAIN, los Institutos Nacionales de Salud solicitaron propuestas para proyectos por valor de $ 40 millones sobre desarrollo tecnológico en las neurociencias. ¿Por qué la Iniciativa BRAIN pone tanto énfasis en la tecnología? dice Cornelia Bargmann, neurocientífica de la Universidad Rockefeller que codirige el proceso de planificación del proyecto. El objetivo real es comprender cómo funciona el cerebro, en muchos niveles, en el espacio y el tiempo, en muchas neuronas diferentes, todo a la vez. Y lo que nos ha impedido comprender eso son las limitaciones de la tecnología.
Escuchando a escondidas
La optogenética tuvo sus orígenes en 2000, en una charla nocturna en la Universidad de Stanford. Allí, los neurocientíficos Karl Deisseroth y Edward Boyden comenzaron a intercambiar ideas sobre formas de identificar y, en última instancia, manipular la actividad de circuitos cerebrales específicos. Deisseroth, quien tenía un doctorado en neurociencia de Stanford, anhelaba comprender (y algún día tratar) las aflicciones mentales que han molestado a la humanidad desde la era de Hipócrates, en particular la ansiedad y la depresión (ver Luz brillante sobre la locura). Boyden, que estaba realizando un trabajo de posgrado en función cerebral, tenía una curiosidad omnívora por la neurotecnología. Al principio, soñaron con desplegar pequeñas perlas magnéticas como una forma de manipular la función cerebral en animales vivos intactos. Pero en algún momento durante los siguientes cinco años, se encendió un tipo diferente de bombilla.
Desde la década de 1970, los microbiólogos habían estado estudiando una clase de moléculas sensibles a la luz conocidas como rodopsinas, que se habían identificado en organismos simples como bacterias, hongos y algas. Estas proteínas actúan como guardianes a lo largo de la pared celular; cuando detectan una longitud de onda de luz en particular, dejan entrar iones en una célula o, por el contrario, dejan salir iones de ella. Este reflujo y flujo de iones refleja el proceso mediante el cual se activa una neurona: la carga eléctrica dentro de la célula nerviosa se acumula hasta que la célula desencadena un pico de actividad eléctrica que fluye a lo largo de su fibra (o axón) hacia las sinapsis, donde el el mensaje se pasa a la siguiente celda de la ruta. Los científicos especularon que si pudieras pasar de contrabando el gen de una de estas proteínas sensibles a la luz a una neurona y luego pulsar la célula con luz, podrías activarla para que se dispare. En pocas palabras, podría encender o apagar neuronas específicas en un animal consciente con un estallido de luz.
En 2004, Deisseroth insertó con éxito el gen de una molécula sensible a la luz de las algas en neuronas de mamíferos en un plato. Deisseroth y Boyden continuaron demostrando que la luz azul podía inducir a las neuronas a dispararse. Aproximadamente al mismo tiempo, un estudiante de posgrado llamado Feng Zhang se unió al laboratorio de Deisseroth. Zhang, que había adquirido una experiencia precoz en las técnicas de biología molecular y terapia génica cuando era estudiante de secundaria en Des Moines, Iowa, demostró que el gen de la proteína deseada podía introducirse en las neuronas por medio de virus modificados genéticamente. Una vez más, utilizando pulsos de luz azul, el equipo de Stanford demostró que podía encender y apagar pulsos eléctricos en las células nerviosas de mamíferos modificadas por virus. En un documento histórico que apareció en Neurociencia de la naturaleza en 2005 (después, dice Boyden, fue rechazada por Ciencias ), Deisseroth, Zhang y Boyden describieron la técnica. (Nadie lo llamaría optogenética hasta dentro de un año).
Los neurocientíficos se apoderaron de inmediato del poder de la técnica al insertar genes sensibles a la luz en animales vivos. Los investigadores del propio laboratorio de Deisseroth lo usaron para identificar nuevas vías que controlan la ansiedad en ratones, y tanto el equipo de Deisseroth como sus colaboradores en el Hospital Mount Sinai en Nueva York lo usaron para activar y desactivar la depresión en ratas y ratones. Y el laboratorio de Susumu Tonegawa en el MIT utilizó recientemente optogenética para crear recuerdos falsos en animales de laboratorio.
Cuando visité la oficina de Boyden en el Media Lab del MIT en diciembre pasado, el científico llamó a sus artículos recientes favoritos sobre optogenética. En un torrente de palabras tan rápido como sus pulsaciones de teclas, Boyden describió tecnologías de segunda generación que ya se estaban desarrollando. Una implica escuchar a escondidas células nerviosas individuales en animales anestesiados y conscientes para ver las cosas que se agitan debajo del mar de actividad dentro de una neurona cuando el animal está inconsciente. Boyden dijo: Literalmente, arroja luz sobre lo que significa tener pensamientos, conciencia y sentimientos.
Los científicos a menudo emplean palabras como sorprendente e inesperado para caracterizar los resultados recientes, lo que refleja el impacto que la optogenética ha tenido en la comprensión de las enfermedades psiquiátricas.
El grupo de Boyden también acababa de enviar un artículo que informaba de un nuevo giro en la optogenética: las vías neuronales separadas e independientes pueden perturbarse simultáneamente con longitudes de onda de luz roja y azul. La técnica tiene el potencial de mostrar cómo los diferentes circuitos interactúan e influyen entre sí. Su grupo también está trabajando en sondas y microscopios de grabación increíblemente densos que aspiran a capturar la actividad de todo el cerebro. Las ambiciones no son modestas. ¿Puede registrar todas las células del cerebro, dice, de modo que pueda observar los pensamientos, las decisiones u otros fenómenos complejos que surgen a medida que pasa de la sensación a la emoción, a la decisión y al lugar de la acción?
Mapeo cerebral : Trazando las autopistas de la información
A unas cuadras de distancia, Feng Zhang, que ahora es profesor asistente en el MIT y miembro de la facultad del Broad Institute, enumeró antiguas preguntas de neurociencia que ahora podrían ser atacadas con las nuevas tecnologías. ¿Puede actualizar la memoria y aumentar la capacidad? preguntó. ¿Cómo se codifican genéticamente los circuitos neuronales? ¿Cómo reprogramar las instrucciones genéticas? ¿Cómo se corrigen las mutaciones genéticas que causan fallas en el cableado u otras fallas del sistema neural? ¿Cómo se hace más joven el cerebro viejo?
Además de ayudar a inventar la optogenética, Zhang jugó un papel central en el desarrollo de una técnica de edición de genes llamada CRISPR (ver 10 tecnologías innovadoras: edición del genoma, mayo / junio). La tecnología permite a los científicos apuntar a un gen —en neuronas, por ejemplo— y eliminarlo o modificarlo. Si se modifica para incluir una mutación que se sabe o se sospecha que causa trastornos cerebrales, los científicos pueden estudiar la progresión de esos trastornos en animales de laboratorio. Alternativamente, los investigadores pueden usar CRISPR en el laboratorio para alterar las células madre que luego pueden convertirse en neuronas para ver los efectos.
Transparencia
De vuelta en Stanford, cuando no ve a pacientes con trastornos del espectro autista o depresión en la clínica, Deisseroth continúa inventando herramientas que él y otros pueden usar para estudiar estas afecciones. El verano pasado, su laboratorio informó sobre una nueva forma para que los científicos visualicen los cables de las fibras nerviosas, conocidas como materia blanca, que conectan los recintos distantes del cerebro. La técnica, llamada Claridad, primero inmoviliza biomoléculas como proteínas y ADN en una malla similar a un plástico que conserva la integridad física de un cerebro post mórtem. Luego, los investigadores arrojan una especie de detergente a través de la malla para disolver todas las grasas en el tejido cerebral que normalmente bloquean la luz. El cerebro se vuelve transparente, exponiendo repentinamente todo el patrón de cableado tridimensional a la vista.
Juntas, las nuevas herramientas están transformando muchos puntos de vista convencionales en neurociencia. Por ejemplo, como señaló Deisseroth en un artículo de revisión publicado a principios de este año en Naturaleza , la optogenética ha desafiado algunas de las ideas subyacentes a la estimulación cerebral profunda, que se ha utilizado ampliamente para tratar todo, desde temblores y epilepsia hasta ansiedad y trastorno obsesivo-compulsivo. Nadie sabe exactamente por qué funciona, pero el supuesto operativo ha sido que sus efectos terapéuticos se derivan de la estimulación eléctrica de regiones cerebrales muy específicas; Los neurocirujanos realizan un esfuerzo extraordinario para colocar los electrodos con la máxima precisión.
Sin embargo, en 2009, Deisseroth y sus colegas demostraron que la estimulación específica de la sustancia blanca, los cables neurales que se encuentran cerca de los electrodos, produjo la mejoría clínica más sólida en los síntomas de la enfermedad de Parkinson. En otras palabras, no era la vecindad del cerebro lo que importaba tanto como qué carreteras neuronales pasaban cerca. Los científicos a menudo emplean palabras como sorprendente e inesperado para caracterizar resultados tan recientes, lo que refleja el impacto que la optogenética ha tenido en la comprensión de las enfermedades psiquiátricas.
En la misma línea, Anderson de Caltech señala que el enamoramiento público y científico por los estudios de resonancia magnética funcional durante las últimas dos décadas ha creado la impresión de que ciertas regiones del cerebro actúan como centros de actividad neuronal: que la amígdala es el centro del miedo, por ejemplo, o el hipotálamo es el centro de la agresión. Pero compara la resonancia magnética funcional con mirar hacia abajo en un paisaje nocturno desde un avión a 30,000 pies y tratar de averiguar qué está sucediendo en una sola ciudad. La optogenética, por el contrario, ha proporcionado una visión mucho más detallada de esa diminuta subdivisión de células en el hipotálamo y, por tanto, una imagen mucho más compleja y matizada de la agresión. Activar neuronas específicas en esa pequeña ciudad puede inclinar a un organismo a hacer la guerra, pero activar las neuronas de al lado puede empujarlo a hacer el amor.
Las nuevas técnicas darán a los científicos los primeros atisbos de la cognición humana en acción: una mirada a cómo los pensamientos, sentimientos, presentimientos y actividad mental disfuncional surgen de los circuitos neuronales y de la actividad de tipos particulares de células. Los investigadores apenas están comenzando a obtener estos conocimientos, pero dado el reciente ritmo de desarrollo de la tecnología, la imagen podría surgir antes de lo que cualquiera hubiera soñado cuando la luz de la optogenética parpadeó por primera vez hace unos años.
Stephen S. Hall es un escritor científico y autor en la ciudad de Nueva York. Su última característica para Revisión de tecnología del MIT estaba reparando malos recuerdos.