optogenética

Eterno resplandor de una rata sin recuerdos.

Imagen de uno de los carteles de la película. Si no la han visto, ¡háganlo!. El dolor de un recuerdo que algún momento fue grato. La ruptura amorosa. La sensación de angustia disparada por las memorias fue lo que llevó a Clementine a solicitar los servicios de la empresa Lacuna para borrar a su ex novio, Joel, de su memoria en la película Eterno resplandor de una mente sin recuerdos (Michel Gondry, 2004). ¿Seremos pocos quienes deseamos que este servicio esté disponible?

Recientemente, científicos de diversas instituciones en San Diego, California, se han hecho de esta una realidad más cercana. Durante muchos años se supo que los recuerdos y su almacenamiento dependen de dos procesos neuronales: la potenciación a largo plazo, que fortalece el recuerdo, y la depresión a largo plazo, que lo debilita. Gracias a una técnica relativamente nueva, Roberto Malinow y su equipo pudieron ver estos dos procesos en acción. Y no sólo eso: también los simularon en el cerebro de ratas, borrando un recuerdo específico para después restaurarlo.

Para lograrlo, se les ocurrió utilizar ratas e insertarles en algunas neuronas el gen de un alga. Este gen se activa con la luz: las neuronas que lo tenían, al ser estimuladas con un pequeño rayo dirigido, producían cierta reacción fácilmente detectable. Esta técnica de inserción de genes sensibles a la luz es la optogenética, y una de sus grandes ventajas es que el rayo de luz puede dirigirse con mucha precisión a células específicas.

El segundo paso fue condicionar la conducta de las ratas. Un típico condicionamiento conductual consiste en aplicar a los animales un estímulo –como una descarga eléctrica en las patas– al mismo tiempo que escuchan cierto sonido. Después de varias repeticiones, los animales asocian el sonido a la descarga, y cada vez que escuchan el sonido sienten miedo, a pesar de ya no recibir el estímulo. En este experimento condicionaron así a las ratas; en vez de usar un sonido, dirigieron un rayo de luz hacia sus neuronas. De esta forma, las ratas y sus neuronas sentían miedo cada vez que pasaba el rayo de luz por su cerebro. El miedo es la respuesta o memoria que los científicos estaban investigando, pues es el recuerdo de que algo doloroso va a ocurrir, aunque al final no ocurra.

Con esto comprobaron que las neuronas pasaban por un estado de potenciación a largo plazo –con el cual fortalecían su recuerdo de miedo– y que este proceso interviene en la formación de la memoria. Pudieron verlo al hacer un escáner del cerebro de las ratas en el momento preciso en que se formaba la memoria.

Una pregunta natural brotó más tarde: si efectivamente la potenciación es lo que forma los recuerdos, ¿entonces el proceso contrario, la depresión a largo plazo, podrá borrarlos? Al manipular diferentes frecuencias del rayo de luz dirigido hacia las neuronas del recuerdo, los investigadores lograron debilitarlas y simular el proceso de depresión a largo plazo. Las ratas, después de esto, no volvieron a mostrarse asustadas ante el estímulo al cual estaban condicionadas. Es decir, habían perdido esa memoria. Finalmente, y como si bastara con mover un switch de prendido y apagado, simularon la potenciación a largo plazo y restauraron de nueva cuenta el recuerdo en las ratas.

Aún no es posible que todo corazón roto acceda a los servicios de Lacuna, pero esta investigación, sin duda, y para suerte de muchos, es un gran primer paso.

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[Imagen de uno de los carteles de la película. Si no la han visto, ¡háganlo!].

Artículo original en Nature | Nota Original en el Blog de  de Historias Cienciacionales

 

 

Optogenética: Suena a ciencia ficción, pero es ciencia real

¿Te imaginas una tecnología con la que pudiéramos controlar a voluntad la función de cualquier célula con tan sólo presionar un interruptor de luz? Pues por futurista que suene e increíble que lo parezca, esa tecnología se viene desarrollando desde hace varios años y se llama optogenética. Actualmente, varios laboratorios alrededor del mundo emplean los métodos de la optogenética para investigar las bases biológicas de una variedad de condiciones como el autismo, las adicciones y la depresión. No obstante, se trata de una tecnología tan poderosa, versátil, y revolucionaria, que se cree que su posible impacto social, económico y médico es difícil de imaginar. La prestigiosa revista Nature Methods eligió en 2010, de entre todos los avances en las diferentes disciplinas de la ciencia y la ingeniería, a la optogenética como la “tecnología del año”.

La optogenética es resultado de la convergencia del conocimiento de diversas disciplinas científicas como la microbiología, la fotónica, la biofísica y las neurociencias. En este pequeño artículo, describiré brevemente cómo es que esta convergencia ocurrió, y te contaré sobre un invento increíble de los chavos de Backyard Brains, creadores del SpikerBox, y a quienes ya dedicamos un artículo anteriormente.  Para concluir, te compartiré una emocionante plática TED sobre el tema.

Las opsinas son un tipo de proteínas presentes en los fotorreceptores de la retina humana y de otros animales. Estas moléculas son esenciales para el sentido de la vista, pues convierten los fotones de luz que reciben nuestros ojos en impulsos eléctricos que son interpretados por el cerebro, de tal modo que éste emplea dichos impulsos para generar imágenes que nos permiten “ver” todo aquello que nos rodea. Existen también opsinas que desempeñan otras funciones. Por ejemplo, la melanopsina, que también se encuentra en la retina, no participa en la generación de imágenes, pero es parte esencial del sistema que regula el ritmo circadiano.

Peter Hegemann, Georg Nagel y sus colaboradores en Alemania, describieron en 2002 un nuevo tipo de opsinas, bautizadas como canalrodopsinas, que modulan la fototaxis (movimiento en respuesta a la luz) en una alga verde unicelular de la especie Chlamydomonas reinhardtii. Tres años más tarde, el grupo de Karl Deisseroth en la Universidad de Stanford, reportó un experimento en el que introdujo con éxito el gen de la Canalrodopsina-2 (ChR-2) en neuronas de hipocampo  de rata cultivadas en el laboratorio para modular su actividad neuronal con luz azul.

En los últimos años, se han dado múltiples avances en el campo de la optogenética. Ahora, es posible utilizar varias canalrodopsinas (ChR1, ChR2, VChR1 y SFO) para activar neuronas, y también es posible inhibirlas mediante otro tipo de opsinas, como la halorodopsina y la arqueorodopsina. Además, se han desarrollado líneas de moscas y ratones transgénicos que expresan una o varias de estas opsinas en algunas o todas las células del sistema nervioso. Se han hecho experimentos que demuestran la factibilidad de controlar el ritmo del latido de células cardíacas en cultivo o el crecimiento de células de la piel a través de la luz.

Otro avance importante se dió en 2009, cuando Hegemann y Deissenroth indujeron una mutación en ChR2 que dió origen a una proteína que, una vez que ha sido activada con luz azul, es capaz de mantenerse “encendida” hasta que sea apagada por medio de luz amarilla. Además, el gen de la proteína VChR1, aislado del alga multicelular Volvox carteri, es muy similar a ChR-2, pero con la diferencia de que es responsivo a la luz roja. Estos avances abren la posibilidad de excitar dos tipos diferentes de neuronas (o circuitos neuronales) al mismo tiempo, con dos fuentes de luz sintonizadas a diferentes longitudes de onda.

Un principio elemental en genética es el hecho de que los genes contienen una secuencia de DNA conocida como “promotor”, que hace las funciones de interruptor de encendido y apagado para cualquier gen. Estos interruptores son activados selectivamente por un tipo de proteínas conocidas como factores de transcripción, y cada factor de transcripción es capaz de regular decenas, cientos o hasta miles de genes de forma muy específica. Ciertos factores de transcripción están presentes en algunos tipos de células pero no en otros. Sabiendo esto, es posible restringir la expresión de las opsinas de interés a cierto tipo de neuronas (u otro tipo de células). Todo lo que hay que hacer es introducir, junto con el gen de la opsina un “promotor” específico para un factor de transcripción que es exclusivo del tipo celular en cuestión.

La optogenética se puede combinar con tecnologías como la resonancia magnética funcional. Lo cual permite, por ejemplo, activar una célula a nivel individual (por ejemplo, en un ratón anestesiado) y luego visualizar toda la actividad cerebral que ocurre como reacción en cadena en tiempo real. Así, es posible, por ejemplo, disectar circuitos neuronales completos (en ratones) que controlan conductas motoras o fisiológicas.

Hace unos meses, los chavos de Backyard Brains, en colaboración con FundScience, recaudaron USD $512.20 a través de donaciones por internet, con el fin de financiar el proyecto final de 5 estudiantes de ingeniería biomédica de la Universidad de Michigan. Dicho proyecto tenía por objeto desarrollar un prototipo de un equipo de optogenética de bajo costo que permitiera analizar moscas transgénicas responsivas a la luz (donadas por el laboratorio de Stefan Pulver). El prototipo permite conectar el SpikerBox al cerebro de la mosca (previamente anestesiada), y excitar sus neuronas con luz azul, para que el SpikerBox registre los picos neuronales resultantes. Los chavos de Backyard Brains han continuado trabajando en el protoripo y este año presentaron la versión 3.0 en la reunión anual de la Society for Neuroscience, en Washington, DC. A la derecha, puedes ver una imágen de su prototipo.

Tal como lo mencioné en el post anterior, reitero que existe una gran oportunidad para incorporar este tipo de tecnologías (como las de Backyard Brains) en programas de divulgación y educación que incentiven el interés del público no especializado por la ciencia. Sobre todo, en jóvenes estudiantes. Tecnologías como la optogenética van a cambiar el mundo, y entre más chavos en México se interesen y se preparen en éstas áreas, mayores oportunidades de progreso y desarrollo económico seremos capaces de generar. Me despido con un video imperdible de una plática TED de Ed Boyden, profesor del MIT que desarrolla tecnologías de optogenética. No olvides comentar y hacer preguntas. Ese es el fin de este espacio.

Link al video: Ed Boyden: Un interruptor de luz para las neuronas. (Cuando abras el enlace, podrás activar los subtítulos en español dentro del marco del video).

Acerca del Autor: Miguel E. Rentería es egresado de la UNAM y actualmente estudia un doctorado en genética y neurociencias en la Universidad de Queensland, Australia. Click aquí para ver otros textos del autor.