Hace unos años (2010), la revista Nature Methods eligió la optogenética como su “método del año”. El hecho de que la optogenética, en 2010, ya se considerara un enfoque viable para estudiar el cerebro es impresionante en sí mismo, considerando que todo el trabajo seminal con optogenética se ha realizado desde el año 2000 . Sin embargo, debido a que el método aún es un desarrollo relativamente reciente, es probable que el trabajo más intrigante con la optogenética aún no se haya realizado.
¿Qué es la optogenética?
La optogenética incorpora metodología de los campos de la óptica y la genética para tratar de comprender la actividad de las neuronas . Específicamente, se pueden usar métodos optogenéticos para activar selectivamente neuronas individuales. Esto permite a los investigadores comprender mejor la función de estas neuronas al observar los efectos de su activación.
Se han desarrollado algunos enfoques diferentes para activar las neuronas; uno de los enfoques más comunes se realizó con la ayuda de algas verdes. Las algas verdes poseen un canal iónico que se abre en respuesta a la luz. Cuando el canal se expone a la luz, se abre, lo que permite que los iones entren rápidamente en la célula y causen potencialmente que ocurra un potencial de acción . El canal se llama canalrodopsina-2 (ChR2), y las algas usan su sensibilidad a la luz para crecer hacia las fuentes de luz.
Los investigadores a principios de la década de 2000 se dieron cuenta de que si podían hacer que las neuronas expresaran canales de iones sensibles a la luz como ChR2, entonces podrían controlar potencialmente la activación de esas neuronas mediante pulsos de luz. Entonces, empaquetaron los genes que codifican para ChR2 en un vector viral y lo usaron para infectar neuronas. El vector viral lleva los genes ChR2 a las células susceptibles y las “infecta”, lo que hace que las células diana expresen los genes.
Una vez que los genes de un canal iónico sensible a la luz se incorporan a una neurona, los investigadores pueden usar la luz para activar esa neurona. Pueden hacer esto insertando fibras ópticas en los cerebros de los animales y usando láseres o diodos emisores de luz (LED) para exponer las neuronas a la luz. Puede ver esto en acción en el video a continuación, que muestra un ratón que (después de haber sido inyectado con un vector viral que contiene genes ChR2) expresa ChR2 en su corteza motora . Cuando los investigadores aplican una ráfaga de luz azul al cerebro del ratón, esto provoca un patrón de movimiento distinto.
¿Para qué sirve la optogenética?
La optogenética proporciona a los neurocientíficos un método para activar neuronas específicas y luego observar los efectos. Esto brinda a los investigadores una forma de establecer una fuerte conexión entre la actividad de las neuronas individuales y el comportamiento. En otras palabras, si los investigadores estimulan un área particular de la corteza motora (como se ve en el video de arriba) y esto hace que un ratón se mueva en círculos en sentido antihorario, entonces podemos suponer que la región estimulada juega un papel importante en ese tipo de movimiento. . Comprender el papel de las poblaciones neuronales individuales es crucial para comprender el comportamiento y la enfermedad.
Un estudio publicado este mes en Nature proporciona un buen ejemplo de investigación influyente en optogenética. En el estudio, los investigadores (Nabavi et al.) utilizaron métodos optogenéticos para examinar el comportamiento de las neuronas involucradas en el condicionamiento de las respuestas al miedo. Normalmente, cuando toma un roedor y toca un tono específico justo antes de que reciba una descarga eléctrica incómoda, comenzará a asociar el tono con la descarga; rápidamente llegará a temer el tono mismo. En otras palabras, forma un recuerdo de lo que normalmente sigue al tono (una descarga) y comienza a anticiparlo inmediatamente después de escuchar el tono.
Se cree que el mecanismo del condicionamiento del miedo involucra a la amígdala , una región del cerebro que juega un papel importante en el procesamiento del miedo de todo tipo. En el caso de asociar el miedo a una señal auditiva, la amígdala lateral recibe información auditiva del tálamo . Cuando hay un estímulo aversivo asociado con esa información auditiva, algunas neuronas en la amígdala pueden pasar por un proceso conocido como potenciación a largo plazo , que es un término para la mejora de la comunicación sináptica que se cree que subyace en la formación de la memoria (para más información sobre este proceso, consulte ver este artículo). Esta mejora permite que esas neuronas en la amígdala “recuerden” que la información auditiva fue seguida por algo aversivo y promueve un comportamiento de evitación al simplemente escuchar el tono en el futuro.
Navavi et al. inyectó un virus que expresaba una variante de ChR2 en el cerebro de ratas y luego esperó hasta que se expresara en las neuronas de la amígdala lateral. Luego, en lugar de emparejar la descarga con un tono auditivo, la emparejaron con un estallido de luz que hipotéticamente activaría las mismas neuronas en la amígdala que serían activadas por un tono. Esto creó una respuesta de miedo que fue similar a lo que se vio en las ratas que tenían la descarga combinada con un tono. Entonces, los investigadores esencialmente crearon una memoria para un estímulo auditivo en estas ratas, a pesar de que no había ningún estímulo auditivo presente.
Los investigadores continuaron demostrando que la formación de la memoria probablemente se debió a la potenciación a largo plazo. Una forma en que lo hicieron fue usar un método de estimulación óptica que se cree que induce depresión a largo plazo , que en cierto modo es lo opuesto a la LTP, ya que actúa para debilitar la conexión entre las sinapsis. Al hacer esto, Nabavi et al. fueron capaces de abolir la memoria. Sorprendentemente, fueron capaces de reactivarlo simplemente volviendo a estimular la amígdala con luz (no fue necesario volver a aplicar descargas en los pies).
Este experimento demuestra cómo se puede utilizar la optogenética para activar neuronas específicas que nos ayuden a comprender su papel en el comportamiento. En este caso, los investigadores activaron neuronas en la amígdala para mostrar cómo están involucradas en el condicionamiento del miedo y ampliaron esto al verificar que la LTP es importante para el proceso de condicionamiento del miedo.
Optogenética y control mental
Si bien la optogenética nos brinda la capacidad de explorar las funciones de las neuronas individuales, al mismo tiempo nos brinda la capacidad de modificar la actividad de esas neuronas. De esta manera, podemos influir en el comportamiento, como se puede ver en el video de arriba cuando se le pide al ratón que se mueva en una dirección específica después de la estimulación optogenética. Aunque atar un animal a un cable para la experimentación parecería limitar las posibilidades que podrían explorarse en términos de comportamiento, ya se han introducido métodos optogenéticos inalámbricos ; su uso eliminará algunas de estas limitaciones.
Pero, ¿hasta dónde puede llegar esta tecnología? ¿Sería posible expresar canales iónicos sensibles a diferentes longitudes de onda de luz en diferentes áreas del cerebro, dando así a los científicos la capacidad de controlar toda una panoplia de comportamiento? De hecho, ya se ha comenzado a trabajar en esta dirección . ¿Podrá algún día aplicarse la tecnología optogenética a los humanos para influir en cosas como el comportamiento adictivo o para tratar trastornos como la depresión, modificando esencialmente los patrones de pensamiento de las personas en el proceso? Aunque esto no está a la vuelta de la esquina, es concebible, y no está muy lejos de enfoques como la estimulación cerebral profunda.que ya se están explorando para estos fines. Por lo tanto, usar la optogenética para ejercer algún tipo de control sobre la mente, aunque no del tipo tortuoso que parece implicar la frase “control mental” (con suerte), puede ser una posibilidad clara en algún momento en el futuro.
Nabavi, S., Fox, R., Proulx, C., Lin, J., Tsien, R. y Malinow, R. (2014). Ingeniería de una memoria con LTD y LTP Nature DOI: 10.1038/nature13294
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