A lo largo de la historia, los científicos han diseñado gran variedad de técnicas para estudiar el funcionamiento del sistema nervioso y los mecanismos que subyacen a los diferentes procesos cognitivos. Muchas de estas técnicas buscan modificar la comunicación que existe entre neuronas. Recordemos que estas células se comunican a través de impulsos eléctricos, por lo que varias aproximaciones se han enfocado en inducir cambios en la transmisión de las señales eléctricas, por ejemplo mediante estimulación eléctrica o farmacológica.
En las últimas décadas ha sobresalido el uso de una herramienta que permite modificar la actividad neuronal solo con luz: la optogenética. A grandes rasgos, esta herramienta consiste en inducir la expresión de proteínas fotosensibles, llamadas opsinas, en neuronas específicas de tal forma que éstas puedan modificar su actividad al ser irradiadas con luz. Aunque en la actualidad existe muchísima información sobre esta herramienta, así como cientos de aplicaciones, por ahora me gustaría centrarme en las bases: cómo las opsinas inducen cambios en la actividad neuronal, cómo podemos hacer que estas opsinas se expresen cuando y donde queramos, y cómo hacer que la luz llegue hasta la opsina.
Opsinas
Actualmente hay una gran variedad de opsinas que permiten activar o inhibir la actividad neuronal. Entre las más utilizadas se encuentran las que son bombas o canales iónicos, ya que su activación permite modificar los gradientes iónicos en el interior de la neurona, cambiando así su potencial eléctrico. El ejemplo clásico es Channelrhodopsin (Canal de rodopsina, ChR), un canal de cationes que al ser estimulado con longitudes de onda de 470 nm permite el flujo de Na+, K+, H+ y Ca2+ siguiendo su gradiente de concentración, lo que provoca una rápida despolarización y facilita el disparo de potenciales de acción, es decir, activa a la neurona. Por el contrario, la opsina Halorhodopsin (HR), es una bomba de iones cloruro, que al activarse con longitudes de onda de 590 nm introduce estos iones al interior de la neurona, hiperpolarizándola, provocando así su inhibición.
Ambas opsinas se encuentran de manera natural en algunas bacterias o algas, aunque no son las únicas; de hecho, en los últimos años se han desarrollado numerosas variantes de estas y otras opsinas, las cuales difieren en su respuesta a diferentes longitudes de onda, tiempo de apertura del canal, compartimento celular , eficiencia en el transporte de iones, entre otras propiedades, lo que permite su especificidad.
Expresión
Otra cuestión fundamental en el uso de la optogenética es lograr que estas proteínas se expresen en las neuronas de manera controlada. Para lograrlo, una de las herramientas más utilizadas es el uso de vectores virales.
Los virus son una herramienta biotecnológica sumamente importante para lograr la expresión de genes y sus productos en diversos organismos. Esto se logra reemplazando parte de la información genética del virus con el gen de nuestro interés, en conjunto con promotores o secuencias que permitan controlar su expresión. Lo que se busca es que el virus mantenga la capacidad de infectar a la célula y, al hacerlo, introduzca el material genético necesario para producir la opsina. Entre los vectores virales más utilizados se encuentran los virus adeno-asociados, los lentivirus y el virus de la rabia.
Un punto clave es limitar espacio-temporalmente la expresión de la opsina. Esto se puede lograr inyectando el virus justo en la región cerebral que nos interese o utilizando virus con tropismo hacia cierto tipo neuronal. Sin embargo, se puede lograr una especificidad más fina con el uso de promotores permitan limitar la expresión de la opsina a solo ciertos tipos de neuronas o dentro de una ventana temporal. Este control fino resulta sumamente útil cuando queremos manipular neuronas que han sido activadas en un momento particular, por ejemplo durante la ejecución de una tarea o ante la presencia de un estímulo.
La luz
Finalmente, una vez que tenemos la opsina en el lugar y momento adecuado, solo falta hacerle llegar la luz. Esto depende de dos factores: el tipo de opsina y el sitio de expresión. El primer punto determina la longitud de onda que se requiere para activarla y, también se consideran factores como la intensidad y el tiempo de estimulación para lograr la correcta activación de la proteína.
En cuanto al sitio de expresión, tenemos que al expresar la opsina en regiones superficiales, la luz se puede hacer llegar de manera directa, colocando el láser sobre el sitio de estimulación. Sin embargo, conforme más profundo está la opsina, más difícil será que la luz llegue, ya que no es capaz de atravesar tantas capas de tejido. En estos casos, se suele implantar una fibra óptica que permite entregar la luz sin pérdida de intensidad.
Pros y contras
Con lo mencionado anteriormente, entendemos que entre las ventajas que presenta la optogenética, se encuentran la alta precisión temporal y espacial que otorga, lo que la convierte en una gran herramienta para la identificación y manipulación de circuitos neuronales específicos relacionados a una conducta o proceso cognitivo.
Sin embargo, no todo es miel sobre hojuelas y hay varios puntos que se deben tener en cuenta si se quiere utilizar esta herramientas. Uno de ellos es que suele ser una técnica bastante invasiva, ya que se requieren hacer cirugías para implantar el virus o la fibra óptica, por lo que su uso ha sido principalmente en modelos animales.
Un detalle importante a considerar, es que la luz puede incrementar la temperatura hasta 1°C alrededor de la punta del láser. Este incremento puede inducir cambios en la actividad neuronal, desencadenando efectos inespecíficos. Por otro lado hay evidencias que altos niveles de expresión de la opsina a largo plazo, pueden inducir alteraciones en la morfología neuronal, lo que, a su vez, puede alterar la correcta comunicación entre las neuronas.
Sin duda, la optogenética ha permitido obtener grandes avances en el mundo de las neurociencias y seguramente no tardará mucho tiempo en el que podamos ver sus aplicaciones en la investigación clínica. Pero sobre estas aplicaciones hablaremos en otro momento.
¿Quieres saber más?
Wick, Z. C., & Krook-Magnuson, E. (2018), “Specificity, versatility, and continual development: The power of optogenetics for epilepsy research“, Frontiers in Cellular Neuroscience, 12 (151): 1–25.
Haggerty, D. L., et al. (2020), “Adeno-Associated Viral Vectors in Neuroscience Research“, Molecular Therapy – Methods and Clinical Development, 17: 69–82.
Owen, S. F., et al. (2019), “Thermal constraints on in vivo optogenetic manipulations“, Nature Neuroscience, 22 (7): 1061–1065.
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