Neurotecnología. Un nuevo paradigma para el tratamiento de las enfermedades neurológicas

 

Si hubiera que apostar por una neurotecnología que cambiará el futuro del tratamiento de las enfermedades neurológicas, sería por la optogenética.

 

La optogenética utiliza luz de diferentes frecuencias para controlar el funcionamiento del cerebro, por ahora, en cobayas. Es una brillante tecnología obtenida mediante el cruce de la  neurobiología básica y la ingeniería que secuestra el mecanismo existente detrás de cómo las neuronas se activan o se silencian en el cerebro de forma natural.

 

Gracias a la optogenética, en solo diez años se ha podido integrar artificialmente recuerdos en ratones, descifrar las señales cerebrales que conducen al dolor, desenredar el código neuronal de la adicción, revertir la depresión, restaurar la vista rudimentaria en ratones ciegos y sobrescribir recuerdos felices eliminando otros terribles. La optogenética es similar a un lenguaje de programación universal para el cerebro.

 

Pero tenía dos inconvenientes graves: requería terapia génica y también  cirugía cerebral para implantar fibras ópticas en el cerebro.

 

Este año, la original mente detrás de la optogenética está de regreso con una actualización impresionante.  El equipo del Dr. Karl Deisseroth en la Universidad de Stanford, en colaboración con la Universidad de Minnesota, dio a conocer una versión mejorada de la optogenética que controla el comportamiento sin necesidad de cirugía. Más bien, el sistema proyecta luz a través del cráneo de los ratones y penetra profundamente en el cerebro. Con pulsos de luz, el equipo pudo cambiar la probabilidad de que un ratón tuviera convulsiones o reprogramar su cerebro para que prefiriera la compañía social.

 

Pero aclaremos: estamos lejos de que los científicos controlen el cerebro con linternas. La clave de la optogenética es la ingeniería genética; sin ella, las neuronas no responden naturalmente a la luz.

 

Sin embargo, de cara al futuro, el estudio es un paso seguro hacia la transformación de una poderosa tecnología de investigación en una terapia clínica que podría ayudar a las personas con problemas neurológicos, como depresión o epilepsia. Todavía estamos lejos de esa visión, pero el estudio sugiere que es una ciencia ficción potencialmente a nuestro alcance.

 

Opto-¿qué?

Para comprender la optogenética, debemos profundizar un poco más en cómo funcionan los cerebros.

 

Esencialmente, las neuronas funcionan con electricidad con una pizca adicional de química. Una célula cerebral es como un contenedor de almacenamiento vivo con puertas, llamadas canales iónicos, que separan su entorno interno del exterior. Cuando una neurona recibe información y esa entrada es lo suficientemente potente, las células abren sus puertas. Este proceso genera una corriente eléctrica, que luego circula por la rama de salida de una neurona, una especie de autopista biológica. En la terminal, los datos eléctricos se transforman en docenas de "barcos" químicos, que flotan a través de un espacio entre neuronas para transmitir el mensaje a sus vecinas. Así es como se comunican las neuronas en una red y cómo esa red a su vez produce recuerdos, emociones y comportamientos.

 

La optogenética secuestra este proceso.

 

Usando virus, los científicos pueden agregar al ADN de las neuronas vivas un gen para las opsinas, una familia especial de proteínas descubierta en algunas  algas. Las opsinas, las proteínas generadas por el gen insertado en el ADN neuronal,  son "puertas" especializadas que se abren bajo ciertas frecuencias de pulsos de luz, algo que las células cerebrales de los mamíferos no pueden hacer. Agregar el gen de las opsinas a las neuronas del ratón (o probablemente a las nuestras) esencialmente les da el superpoder para responder a la luz. En la optogenética clásica, los científicos implantan fibras ópticas cerca de las neuronas alteradas con  opsina para proporcionar la estimulación con luz. Los pulsos de luz programados por ordenador pueden apuntar a estas nuevas neuronas sensibles a la luz en una región particular del cerebro y controlar su actividad, al igual que marionetas en una cuerda.

 

Y mejor aún. Mediante el uso de la ingeniería genética, los científicos también pueden ajustar qué poblaciones de neuronas obtienen ese poder adicional, por ejemplo, solo aquellas que codifican un recuerdo reciente o aquellas involucradas en la depresión o la epilepsia. Esto hace posible jugar con esos circuitos neuronales usando luz, mientras el resto del cerebro sigue a la suya.

 

Esta selectividad es en parte la razón por la que la optogenética es tan poderosa. Pero no todo es así de fácil. Como se puede imaginar, los ratones no disfrutan particularmente de estar atados por fibras ópticas que brotan de sus cerebros. Los humanos tampoco, de ahí el problema de adoptar la herramienta para uso clínico. Desde su introducción, un objetivo principal de la optogenética de próxima generación ha sido cortar la atadura.

 

Adiós Cirugía

En el nuevo estudio, el equipo de Deisseroth comenzó con un objetivo principal: abandonemos por completo la necesidad de implantes quirúrgicos. Inmediatamente, esto presentaba un problema difícil. Significaba que las neuronas creadas por bioingeniería, dentro de un cerebro, necesitaban tener una “puerta” de opsina lo suficientemente sensible y poderosa que responda a la luz, incluso cuando los pulsos de luz son difundidos a través  del cráneo y el tejido cerebral. Es como un juego de teléfono en el que una persona grita un mensaje desde diez manzanas de distancia, a través de múltiples muros y el ruido de la ciudad, pero aún así, hay que poder descifrarlo y transmitirlo.

 

Por suerte, el equipo de investigación encontró un candidato. Desarrollado el año pasado, la proteína asociada al gen ChRmine destaca por su tiempo de reacción sorprendentemente rápido a la luz y su capacidad para generar una gran corriente eléctrica en las neuronas, una mejora de aproximadamente 100 veces con respecto a cualquiera de sus predecesoras. Debido a que es tan sensible, significa que incluso una chispa de luz, en su longitud de onda preferida, puede hacer que abra sus "puertas" y, por tanto, controle la actividad neuronal. Además, ChRmine se cierra rápidamente después de abrirse, lo que significa que no sobreestimula las neuronas, sino que estas  vuelven a su trayectoria de activación natural.

 

Como primera prueba, el equipo utilizó virus para agregar el gen ChRmine a un área profunda del cerebro: el área tegmental ventral (VTA), que es fundamental para procesar la recompensa y la adicción, y también está implicada en la depresión. Hasta ahora, la única forma de llegar al área en un entorno clínico es con un electrodo implantado. Sin embargo, con ChRmine, el equipo descubrió que una fuente de luz, colocada justo fuera del cuero cabelludo de los ratones, podía provocar de manera fiable la actividad neuronal en la región.

 

La activación aleatoria de neuronas con luz, aunque es impresionante, puede no ser tan útil. La siguiente prueba era ver  si es posible controlar el comportamiento de un ratón usando luz desde el  exterior del cerebro.

 

 El equipo agregó el gen ChRmine a las neuronas que generan dopamina en un ratón. La dopamina generada en el cerebro proporciona una sensación de placer. En comparación con sus compañeros, los ratones  que habían recibido el gen, y generado la proteína activada mediante luz,  estaban mucho más ansiosos por presionar una palanca para llevar luz al cuero cabelludo, lo que significa que la luz estimula las neuronas lo suficiente para que los ratones sientan placer y trabajen por ello.

 

Como prueba más complicada, el equipo utilizó la luz para controlar una población de células cerebrales, llamadas células serotoninérgicas, en la base del cerebro, llamada tronco encefálico. Se sabe que estas células influyen en el comportamiento social, es decir, cuánto disfruta un individuo de la interacción social. Los resultados aquí se  vuelven un poco inquietantes: los ratones con neuronas  con el gen ChRmine incorporado, específicamente en el tronco del encéfalo, preferían pasar mas tiempo en la "zona social" de su cámara de prueba que  sus hermanos que no tenían ChRmine. En otras palabras, sin ninguna cirugía de cerebro abierto y solo unos pocos rayos de luz, el equipo pudo convertir un ratón socialmente neutro en un ser social ansioso por la amistad.

 

Control del cerebro desde lejos

Si estás pensando en "inquietante", no estás solo. El estudio sugiere que con una inyección de un virus que lleva el gen ChRmine, ya sea a través de la cuenca del ojo o a través de las arterias, es potencialmente posible controlar algo tan integral para una personalidad como la sociabilidad con nada más que con un haz de luz de la longitud de onda adecuada.

 

Esto solo es posible en ratones por ahora. Nuestros cerebros son mucho más grandes, lo que significa que la luz se dispersa a través del cráneo y conseguir que penetre lo suficientemente profundo se vuelve mucho más complicado. Y naturalmente, nuestras células cerebrales normalmente no responden a la luz de ninguna longitud de onda. Habría que ofrecerse como voluntario para lo que equivale a terapia génica, que viene con sus propios problemas, antes de que esto pueda funcionar.

 

Este sistema operativo de control cerebral, aunque aún no es perfecto, resolvería un montón de problemas. A diferencia de Neuralink y otros implantes neuronales, el estudio sugiere que es posible controlar el cerebro sin cirugía ni implantes. ¡Todo lo que se necesita es luz!.

 

Basado en: http://web.stanford.edu/group/dlab/media/papers/chenNBT2020.pdf