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Un interruptor de luz para el cerebro
Los científicos ahora pueden encender y apagar partes específicas del cerebro con un simple destello de luz. La nueva herramienta molecular, desarrollada por científicos del MIT y Stanford, permite un control sin precedentes sobre el cerebro y podría conducir a tratamientos más efectivos para la epilepsia, el Parkinson y otras enfermedades. También podría ayudar a los neurocientíficos a descifrar el lenguaje del cerebro: la información codificada en la actividad eléctrica de las neuronas, que forma nuestros recuerdos y dirige todos nuestros movimientos.
Entrenamiento de gusanos: Un interruptor de apagado activado por luz puede controlar el movimiento de gusanos microscópicos. Los científicos diseñaron los gusanos para que expresen el cambio en las neuronas motoras que controlan la capacidad de los organismos para nadar. Sin luz, los gusanos nadan normalmente. Pero cuando se exponen a la luz amarilla, como lo indica el círculo amarillo, sus neuronas motoras ya no pueden funcionar, paralizando a los gusanos.
En muchos sentidos, creo que va a revolucionar el campo, dice Michael Hausser, un neurocientífico del University College London que escribió un comentario que acompaña a la investigación, publicado hoy en Naturaleza y el mes pasado en Biblioteca Pública de Ciencias Uno . Podría reemplazar al electrodo estimulante, que ha sido la principal herramienta para los neurofisiólogos durante los últimos 100 años. También podría mejorar las aplicaciones clínicas en las que se ha demostrado que los electrodos implantados son útiles dirigiendo la excitación o inhibición a células específicas.
Las neuronas codifican información con una serie de pulsos eléctricos transmitidos entre células. Los neurocientíficos han estudiado tradicionalmente la función de las células cerebrales mediante el envío de descargas eléctricas entregadas por un electrodo, que activa la actividad de las neuronas. Sin embargo, es difícil dirigir esa actividad a un tipo específico de célula y no existe un tratamiento correspondiente para apagar las células.
El año pasado, Karl Deisseroth, bioingeniero y médico de Stanford, y Ed Boyden, bioingeniero del MIT, optaron por un canal sensible a la luz de las medusas para crear un interruptor genético. El canal se asienta en la membrana celular y se abre cuando se expone a la luz, lo que permite que la carga positiva fluya hacia la celda. Al iluminar las neuronas que están diseñadas genéticamente para transportar el canal, se activa la actividad eléctrica dentro de la célula que luego se propaga a la siguiente neurona del circuito. (Los científicos usan fibras ópticas para iluminar el cerebro).
Multimedia
Mire un video del efecto de las luces en los gusanos diseñados.
Deisseroth y Boyden ahora han creado de forma independiente un interruptor de apagado que funciona mediante un mecanismo similar. Esta vez, los científicos utilizaron un gen que codifica una bomba de proteínas: cuando recibe luz amarilla, bombea una carga negativa a la célula, bloqueando la activación de esa neurona. Ambos interruptores se pueden usar en la misma celda, lo que les da a los neurocientíficos un interruptor de luz que se puede usar para encender y apagar la actividad neuronal.
Esta nueva capacidad para controlar con precisión las neuronas finalmente podría brindar respuestas a las principales preguntas sobre el cerebro. Podría ayudar a los científicos a encontrar las células específicas o los patrones de actividad neuronal que están involucrados en procesos cognitivos, como la atención, o en enfermedades particulares, como la epilepsia.
Tanto la epilepsia como la enfermedad de Parkinson pueden tratarse con electrodos implantados en el cerebro. Pero la electricidad entregada por el electrodo estimula todas las células cercanas en lugar de solo las enfermas, aumentando los efectos secundarios y potencialmente disminuyendo la efectividad del tratamiento. Ha sido la fuente de una frustración increíble, dice Deisseroth, un psiquiatra en ejercicio que está probando la estimulación eléctrica como tratamiento para la depresión severa. Sabemos que podemos obtener beneficios del tratamiento colocando electrodos en el cerebro, pero no sabemos realmente cuál es el tipo de célula diana.
Deisseroth y Boyden ahora están usando interruptores de luz para estudiar modelos animales de estas enfermedades con el fin de averiguar exactamente qué células necesitan encenderse o apagarse. Sus hallazgos podrían usarse para desarrollar nuevos medicamentos dirigidos solo a esas células o, algún día, para reemplazar los electrodos con implantes activados por luz más precisos.
El interruptor también podría ayudar a decodificar el lenguaje del cerebro al ayudar a los neurocientíficos a determinar cómo diferentes patrones de actividad neuronal dan lugar a pensamientos y acciones complejos. Por ejemplo, investigaciones recientes han sugerido que los patrones eléctricos rítmicos en nuestro cerebro son importantes para nuestra capacidad de prestar atención. Los científicos podrían usar el interruptor para interrumpir estos patrones en los animales y ver si anula su capacidad de prestar atención. O podrían intentar inducir estos patrones y ver si esto mejora el enfoque de los animales. Este ha sido un sueño de los neurocientíficos durante mucho tiempo, dice Hausser. Ser capaz de manipular el patrón de actividad espacio-temporal en una red y encontrar el código que está vinculado a un tipo particular de comportamiento.
Además, los científicos pueden manipular las unidades específicas del código neuronal: los pulsos o picos de actividad eléctrica que se transmiten entre las células. Hemos demostrado que podemos empujar los picos, bloquearlos, retrasarlos, dice Boyden. Realmente podemos alterar la codificación neuronal en una escala de tiempo de milisegundos. Eso debería permitir a los científicos determinar qué aspecto del código (el tiempo de los picos o la velocidad de los picos) codifica información en el cerebro, un debate que se ha desatado durante décadas.