Una nueva tecnología láser parece desencadenar imágenes particulares en los cerebros de ratones de laboratorio.
En un laboratorio de la Facultad de Medicina de la
Universidad de Stanford, los ratones están alucinando. Y no es porque les hayan
inyectado drogas.
Con una nueva tecnología láser, los científicos han
desencadenado alucinaciones específicas en ratones al activar algunas neuronas concretas
con haces de luz. Los resultados se han publicado en las revistas Science y
Cell.
La técnica promete proporcionar pistas sobre cómo los miles
de millones de neuronas en el cerebro son conscientes de su entorno.
Finalmente, la investigación también puede conducir a nuevos tratamientos para
los trastornos psicológicos, incluidas las alucinaciones incontrolables.
A principios de la década de 2000, el Dr. Karl Deisseroth,
psiquiatra y neurocientífico de Stanford, y otros científicos, modificaron
neuronas en el cerebro de ratones vivos para que se activaran cuando se
exponían a un destello de luz. La técnica se conoce como optogenética.
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| Dr. Karl Deisseroth en la Escuela de Medicina de Stanford. Trabaja en optogenética, una técnica que permite a los investigadores activar y apagar las células cerebrales con una combinación de manipulación genética y pulsos de luz. |
Los neurocientíficos han pasado décadas observando cómo se
comportan los ratones cuando partes de sus cerebros son estimulados con
electrodos o, más recientemente, con optogenética, lo que implica la
introducción en las neuronas de un gen
para una de las varias proteínas sensibles a la luz llamadas opsinas. En la
mayoría de los experimentos, los investigadores excitan neuronas portadoras de
opsina de un tipo de célula específico con un pulso de luz azul-verde difusa.
Pero el Dr. Deisseroth quería poder detectar cualquier
célula individual en el cerebro y activarla y desactivarla con luz.
Así que él y sus colegas diseñaron un nuevo dispositivo: en
lugar de iluminar el cerebro de un ratón en su totalidad, este dispositivo
permitía a los investigadores enviar pequeños rayos de luz roja que podían
estimular a docenas de neuronas cerebrales individuales simultáneamente.
Para probar este nuevo sistema, el Dr. Deisseroth y sus
colegas se centraron en la percepción del cerebro del mundo visual. Cuando la
luz entra en los ojos, de un ratón o de un humano, desencadena que las terminaciones
nerviosas en la retina envíen impulsos eléctricos a la parte posterior del
cerebro.
Allí, en una región llamada corteza visual, las neuronas
detectan rápidamente los patrones de la imagen percibida, patrones que el
cerebro ensambla en una imagen de la realidad.
Los científicos insertaron dos genes en las neuronas en las
cortezas visuales de los ratones. Un gen hizo que las neuronas fueran sensibles
a la luz láser roja. El otro gen modificado se expresaba de forma que las
neuronas produjeran un destello verde cuando se excitaban, lo que permitía a
los investigadores rastrear su actividad en respuesta a los estímulos.
A estos ratones modificados genéticamente se les mostraron imágenes en un monitor.
Algunas eran de rayas verticales, otras de rayas horizontales. A veces las
rayas eran brillantes, a veces borrosas. Los investigadores entrenaron a los
ratones para lamer una pipa de agua solo si veían rayas verticales. Si realizaban
la prueba correctamente, se les recompensaba con una gota de agua.
Cuando a los ratones se les mostraron las imágenes, miles de
neuronas en sus cortezas visuales parpadearon en verde. Una población de
células se activaban en respuesta a rayas verticales; otras neuronas distintas se
activaban cuando a los ratones se les mostraban las rayas horizontales.
Los investigadores seleccionaron unas pocas docenas de
neuronas de cada grupo como objetivo. Nuevamente mostraron las rayas a los
ratones, y esta vez también excitaron con la emisión de laser a las neuronas del grupo correspondiente. Excitar
a las neuronas correctas ayudó a los ratones a reconocer mejor las rayas.
Luego, los investigadores apagaron el monitor, dejando a los
ratones en la oscuridad. Ahora los científicos activaron las neuronas por rayas
horizontales y verticales, sin nada que los roedores pudieran ver. Los ratones
respondieron lamiendo la pipa de agua, como si realmente estuvieran viendo
rayas verticales.
Uno de los resultados más notables del estudio se produjo
cuando el Dr. Deisseroth y sus colegas redujeron sus haces de luz roja a cada
vez menos neuronas. Seguían haciendo que los ratones lamieran la pipa de agua como
si vieran las rayas verticales.
Al final, los científicos descubrieron que podían
desencadenar las alucinaciones estimulando tan solo unas pocas neuronas. Miles de otras neuronas en la
corteza visual seguirían el ejemplo de esas pocas células, parpadeando en verde
a medida que se activaban.
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| Las neuronas (que se muestran aquí en una micrografía de fluorescencia) pueden manipularse con pulsos de luz. Imagen: Dr. Chris Henstridge / Science Photo Library |
Los grupos de neuronas en el cerebro pueden estar sintonizadas
para que estén listas para excitarse incluso con un ligero estímulo,
concluyeron el Dr. Deisseroth y sus colegas, tal como una bola de nieve puede convertirse
en una avalancha.
Pero no se necesita un dispositivo optogenético elegante
para hacer que algunas neuronas se disparen. Incluso cuando no reciben un
estímulo, las neuronas a veces simplemente se disparan al azar.
Eso plantea un enigma: si todo lo que se necesita son unas
pocas neuronas, ¿por qué no estamos
alucinando todo el tiempo?. Tal vez nuestro cableado cerebral lo impida, dijo
el Dr. Deisseroth. Cuando una neurona se dispara al azar, otros pueden enviar
una señal para que se calme.
El Dr. Deisseroth espera ver qué otras alucinaciones puede
provocar con la luz. En otras partes del cerebro, podría hacer que los ratones
perciban imágenes más complejas, como la cara de un gato. Podría ser capaz de
convencer a las neuronas para que creen sonidos fantasmas, o incluso olores
fantasmas.
En dos nuevos
estudios, los grupos de Deisseroth y Yuste se enfocaron en conjuntos de células
predefinidos al esculpir el rayo láser en un holograma con un dispositivo
llamado modulador de luz espacial. Junto con un gen de opsina, inyectaron otro
gen para una molécula que emite fluorescencia cuando las neuronas se excitan,
lo que les permite discernir qué células estaban activas. Mostraron a los
ratones un patrón de líneas paralelas flotantes en una pantalla y los
entrenaron para lamer una pipa de agua cuando esas líneas estaban en una de dos
orientaciones (horizontal o vertical), pero no en la otra. Identificaron las
células "sintonizadas" para disparar preferentemente para el patrón
horizontal o vertical.
El grupo de Yuste, que ha publicado sus experimentos en
Cell, descubrió que estimular tan solo dos neuronas particularmente bien
conectadas hacía que el ratón tuviera más probabilidades de lamer la pipa de
agua cuando las barras verticales en la pantalla eran difíciles de discernir.
En algunos ensayos, la estimulación incluso llevó a los animales a lamer cuando
no había nada en la pantalla.
Los resultados, según Yuste, respaldan la teoría de que
conjuntos de neuronas coactivadas, no células individuales, forman los
componentes básicos de nuestras percepciones y recuerdos.
El grupo de Deisseroth, mientras tanto, activó conjuntos más
grandes de neuronas sintonizadas vertical u horizontalmente, y evaluó si los
ratones podían distinguir entre las dos posibles percepciones. Utilizando un
gen recientemente descubierto de un organismo marino unicelular que produce una
opsina altamente sensible, descubrieron que excitando conjuntos de
aproximadamente 10 a 20 células que se sintonizaban a un patrón visual u otro
mejoró la capacidad de un ratón para distinguir las barras de pantalla que cada
vez se hacían más tenues. Finalmente, esta estimulación por sí sola provocó
decisiones precisas de "lamer" o "no lamer".
Es imposible saber si los ratones realmente
"vieron" las barras ausentes, pero tanto las pruebas de
comportamiento como las imágenes sugieren que "el cerebro está haciendo lo
que hace durante la percepción natural", según Deisseroth.
Los laboratorios Deisseroth y Yuste ahora planean usar la
optogenética en una sola neurona para encontrar neuronas subyacentes a un
comportamiento más complejo, incluidos los síntomas de la enfermedad cerebral.
Yuste ha lanzado experimentos en ratones que tienen como objetivo revertir los
síntomas de la esquizofrenia y la enfermedad de Alzheimer al estimular
conjuntos de neuronas que no se activan tan fuertemente en los ratones enfermos
como los sanos.
Visiones futuras
El próximo desafío para el equipo de Stanford será
determinar cómo las neuronas que perciben imágenes específicas se conectan a
regiones del cerebro que interpretan el significado de la información visual.
"Solo estamos rascando la superficie aquí", según Deisseroth.
La técnica que los investigadores idearon se basa en un
conjunto de proteínas que son sensibles a pulsos de luz rojos tenues, para reducir el
riesgo de sobrecalentamiento del cerebro. Los científicos esperan que las
proteínas les permitan explorar la función de las neuronas asociadas con la
percepción de otros factores visuales, como el color y la forma, y otros
tipos de información sensorial, incluidos el sonido y el tacto.
Por ahora, la optogenética está lejos de estar lista para su
uso en personas. Pero se están investigando otros métodos para complementar los
sentidos estimulando el cerebro humano.
En primavera, una compañía llamada Second Sight en Los
Ángeles, California, reveló los primeros resultados clínicos de un dispositivo
que utiliza electrodos implantados en la corteza visual para restaurar la
visión de las personas ciegas. Los electrodos estimulan el cerebro en respuesta
a la información obtenida de una cámara que se usa cerca del ojo de una
persona.
El sistema mejoró la visión de seis personas hasta el punto
de que podían ver un cuadrado blanco en una pantalla negra. La compañía espera
que el dispositivo algún día restablezca la vista enviando información visual
más compleja directamente al cerebro.
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