El Nobel Explicado: El camino de las neurociencias a la Optogenética
NEUROCIENCIAS.
La semilla de la ciencia básica hasta el alga que llevó a iluminar el cerebro.
Cuando en 1888, el científico español Santiago Ramón y Cajal descubría que nuestro cerebro estaba compuesto por unidades individuales conocidas como neuronas, y describía cómo eran y cómo funcionaban, abrió un campo en las neurociencias que desde entonces busca comprender las bases neuronales del comportamiento y la cognición, y responder cómo funciona el cerebro y por qué sentimos y actuamos como lo hacemos.
Con el tiempo se identificó qué regiones del cerebro se activan cuando realizamos alguna acción o sentimos alguna emoción, pero no estaba claro qué provocaba que se activaran. Saber qué hacen las neuronas y en qué momento esa actividad neuronal se transforma en un comportamiento revolucionó las neurociencias.
Para responder estas preguntas, la biología molecular con investigaciones de ciencia básica permitió desentramar mecanismos descubiertos en un alga verde, que con los años fueron aplicados en las neuronas y permitieron conocer cómo su actividad contribuye a la generación de conductas.
Esto ha sido una función de la optogenética, técnica que consiste en activar o apagar neuronas con luz y que este año ha sido reconocida con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2026, el cual fue otorgado a Peter Hegemann, Georg Nagel y Karl Deisseroth, “por sus descubrimientos sobre los canales iónicos activados por luz y la optogenética”.
La historia detrás del Nobel.
En 1817 se realizaron los primeros estudios con algas verdes y para 1878, en la Universidad de San Petersburgo, existía la inquietud por conocer por qué las algas verdes se movían en función de la luz, como lo detalla el artículo From channelrhodopsins to optogenetics.
Este tipo de estudios continuaron realizándose por más de un siglo, hasta que en 1990, Peter Hegemann, quería saber cómo el alga unicelular Chlamydomona detecta la luz y nada hacia ella. Propuso que al iluminar la membrana de la alga con luz permean iones de calcio lo que las hacía reaccionar en milisegundos. La publicación de este artículo fue en 1992.
Para saber por qué las algas respondían tan rápido a la luz, la respuesta estaba en su genoma. Hegemann junto con Georg Nagel encontraron un par de proteínas que eran sensibles a la luz, las canalrodopsinas, que son canales iónicos que se abrían al exponerse a la luz generando una señal eléctrica. El artículo con los resultados de esta investigación fue publicado en 2003.
¿Cómo todo lo anterior se unió al camino de las neurociencias y sentó las bases de la optogenética?
La idea se sugirió en una conferencia dictada por Francis Crick, ganador del Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1962 por haber descubierto la estructura de la doble hélice. En este evento, el científico habló de temas relacionados con las neurociencias y de la importancia de poder controlar la actividad de las neuronas y propuso que una manera de hacerlo podría ser marcarlas y activarlas con luz.
Estas ideas inspiraron a Karl Deisseroth quien empezó a trabajar en esta idea. Sabiendo que ya existía una proteína sensible a la luz, la canalradopsina, tuvo acceso al ADN que la codifica y lo introdujo en neuronas de hipocampo de ratas cultivadas en laboratorio.
“Por supuesto, hace algunas modificaciones para visualizar a las neuronas que están expresando esta proteína. Y el hallazgo es que cuando hacen que estas neuronas expresen la proteína canalrodopsina y les ponen pulsos de luz generan potenciales de acción, que son señales con las que se comunican las neuronas”, explica el doctor Fatuel Tecuapetla, del Instituto de Fisiología Celular de la UNAM.
El artículo con esta investigación fue publicado en 2005 y el doctor Tecuapetla comenta que en ese momento fue bien aceptado por la comunidad científica, como una herramienta que permitiría controlar la actividad neuronal y saber cómo se comunican las neuronas.
Luz que activa o apaga.
Los canales iónicos son importantes para la optogenética, son pequeñas proteínas ubicadas en la membrana celular, que al aplicarles luz se abren y dejan pasar iones (potasio, calcio, sodio), es decir, diminutas partículas con carga eléctrica que permiten cambios en el potencial de membrana de las células que los expresan. Aunque ya se conocían varios canales iónicos, pocos eran los descritos con sensibilidad a la luz.
La maravilla de la optogenética es que se pasó de aplicar destellos de luz en un alga a aplicarlos en las células del sistema nervioso para controlar la actividad de circuitos neuronales. Para lograrlo, combina ingeniería genética y la óptica con el fin de activar o silenciar a las neuronas en animales de laboratorio en tan solo milisegundos.
Por ello, esta técnica se usa como un interruptor para el cerebro, pues al introducir la proteína sensible a la luz en las neuronas se pueden activar o suprimir comportamientos como moverse, comer, dormir, etcétera. Es decir, con esta técnica fue posible no solo saber qué zona del cerebro se activaba cuando alguien realizaba una acción, sino ahora se pudo estudiar la causa-efecto, porque se pudo ver que al encender o apagar las neuronas qué ocurría o cambiaba.
Esto permitió a los investigadores explorar circuitos relacionados con el movimiento, la conducta, el hambre, el sueño, la recompensa, etcétera, y ayuda a entender mejor los mecanismos que están detrás de los trastornos psiquiátricos y neurológicos.
El doctor Tecuapetla explica que la pregunta central era cómo desarrollar una metodología que permitiera controlar la generación de los potenciales de acción, es decir, de esos impulsos eléctricos que suceden en las neuronas en milisegundos y que dependen de canales iónicos.
Así, para controlar los potenciales de acción se requería de dos cosas: poder colocar canales iónicos en las membranas de las neuronas a voluntad y que tuvieran la capacidad de responder muy rápido, pues los eventos que se quería controlar ocurren en milisegundos. Por eso la luz, uno de los mecanismos más rápido que se conocen, era el candidato ideal.
Lo importante de esta proteína –agrega el investigador– es que es un canal que se puede controlar con estímulos de luz, lo cual proporcionó la ventaja de poder manipular la actividad neuronal y estudiar el sistema nervioso central en milisegundos.
Por el momento, solo en animales.
Hasta el momento solo se ha trabajado la optogenética en modelos animales, confirma el doctor Tecuapetla. Explica que hace algunos años en el MIT se solicitó la autorización para un protocolo en el que utilizarían la técnica de la optogenética para pacientes que sufren de retinitis pigmentos.
Esta enfermedad, que puede causar ceguera total, también fue estudiada por otro grupo de investigación. La terapia optogenética consistió en introducir una proteína sensible a la luz en el ojo con peor visión de un paciente y emplear unas gafas especiales a través de las cuales se generó una estimulación lumínica. Los resultados fueron que pudo recuperar parcialmente la visión.
“Sí hay laboratorios en el mundo que proponen utilizarla en humanos, creo que aún no estamos listos para atrevernos a hacerlo. En humanos aún no conozco un estudio contundente donde ya esté probado y experimentado para ver que esto funciona. Es muy prometedor, pero creo que estamos en la etapa donde nos sirve para hacer investigación”.
Agrega que aunque la optogenética abrió posibilidades enormes de investigación, también mostró a la comunidad científica que pasará un tiempo antes de aterrizar las conclusiones de los experimentos, pues aunque hoy se cuenta con herramientas que permiten sincronizar la actividad de una región grande del cerebro, y eso genera un efecto conductual, su interpretación no es tan fácil.
“Actualmente hay críticas enfocadas en buscar acentuar muy bien qué significan los resultados, porque con lo que estamos jugando es con un sistema complejo que se llama sistema nervioso central. Entonces, hay que conjuntar experimentos y tener una interpretación muy cuidadosa de los resultados a la luz de lo que ya se sabía y de las mejores interpretaciones para poder avanzar de manera concisa y no solo por la novedad de que podemos manipular la actividad neuronal”, concluye el investigador.
¿Y en México?
El doctor Tecuapetla se incorporó al Instituto de Fisiología Celular en 2014; sus investigaciones están enfocadas en implementar esas técnicas en el estudio del sistema nervioso central.
En el laboratorio que dirige investigan cómo funcionan regiones del cerebro relacionadas con el control motor o con el control de conductas que se realizan en función de su consecuencia. Es decir, comprender si los animales pueden realizar acciones y éstas se llevan a cabo para conseguir algo o porque ya se le hizo un hábito.
“Con estas herramientas podemos apagar cierta región del cerebro y ver si los animales se vuelven más habituales o sensibles a la consecuencia. O si encendimos ciertas regiones ver si esto afecta las capacidades del animal para moverse o en realidad lo que afecta es cómo el animal percibe una consecuencia como positiva o negativa y por eso hacía ese movimiento. Incorporamos la optogenética y utilizamos la proteína canalrodopsina y muchas otras; el interés es prender la actividad neuronal a voluntad o apagarla.
Por: María Luisa Santillán.
Sitio Fuente: Ciencia UNAM