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sábado. 25.06.2022
Usar la luz para ver cómo trabaja el cerebro

La luz y la Medicina

Hace mucho tiempo que se estudia el funcionamiento del cerebro pero ha sido siempre una caja negra que originaba más preguntas que respuestas.

David Pepperberg, University of Illinois at Chicago
David Pepperberg, Universidad de Illinois en Chicago.

Hace mucho tiempo que se estudia el funcionamiento del cerebro pero ha sido siempre una caja negra que originaba más preguntas que respuestas. Ni los alquimistas del siglo XVI encontraron homúnculos que vivieran dentro de nuestras cabezas ni los anatomistas contemporáneos de Descartes la glándula pineal que unía cuerpo y alma. Pero se ha abierto una vía de investigación en el área de la optogenética que puede abrir un nuevo modo de estudiar cerebros de personas vivas y desarrollar terapias nuevas.

Los galvanómetros y electroencefalogramas (EEG) iniciaron el camino a la exploración de la actividad eléctrica del cerebro pero indicaban más qué era lo que no entendíamos que cómo funcionaba el cerebro.

Estudios posteriores revelaron miles de tipos de neuronas conectadas de una manera compleja y formando una red de aproximadamente 100,000 millones de células en una persona adulta. Las neuronas individuales se activan a partir de la excitación que les llega de células situadas antes que ellas y, a su vez, contribuyen a activar miles de neuronas posteriores.

Pero a pesar de la mejora en la resolución espacial y temporal que se ha ido consiguiendo el lenguaje del cerebro ha seguido siendo un misterio.

A principios de este siglo se desarrolló una nueva técnica llamada optogenética que ha permitido a los científicos estudiar el comportamiento de las neuronas de un modo nunca antes conseguido. La técnica incluye separar neuronas con genes que codifican las opsinas, unas proteínas que favorecen la absorción de la luz de una longitud de onda concreta. A estas neuronas se les puede iluminar a través de fibra óptica con lo que se activan. Esta técnica proporciona un alto nivel de resolución e información en tiempo real de cómo se comportan cuando se utilizan también otras técnicas de imágenes neuronales.

Nanopartículas de oro de diferentes tamaños y por tanto de diferentes colores

En la figura, nanopartículas de diferentes tamaños y por tanto de diferentes colores

Sin embargo, la modificación genética del cerebro de personas plantea muchos problemas éticos y de seguridad por lo que las técnicas se han limitado a experimentos en laboratorio con animales pero una técnica relacionada llamada optocapacitancia se cree que permitirá  aplicaciones para seres humanos. La optocapacitancia usa un procedimiento para conseguir la activación externa de las neuronas que se conoce por neuromodelación. En 2011 un grupo de investigadores de la Universidad de Chicago entre los que se encontraba Francisco Bezanilla descubrieron un mecanismo que activa las neuronas cambiando su capacitancia. Se consiguió usando calor de pulsaciones de luz infraroja pero tenía dos inconvenientes graves: el primero es que no era preciso y no acertaba bien en el objetivo y el segundo que con frecuencia las células resultaban dañadas. Empezaron a trabajar con nanopartículas de oro cuya conductividad térmica es excelente para poder alcanzar con fiabilidad las células en vitro. Con sólo 20 nanometros de diámetro (igual a 2x 10ˉ⁸ m) estas partículas convertían la radiación en calor muy localizado con lo que se obtenía la activación neuronal deseada. El problema era que esas partículas, 300 veces más pequeñas que una célula de la sangre no se mantenían en su sitio y eran arrastradas a los alrededores de la neurona. Para unirlas mejor a las neuronas las acoplaron con moléculas sintéticas basadas en la toxina Ts1 del escorpión. De este modo las partículas se juntaban con los canales de sodio de las células y se podían estimular una y otra vez. Usando pulsaciones de luz de milisegundos se produjeron más de 3000 acciones en media hora sin que se produjeran pérdidas de eficacia o daños aparentes.

Pipetas llevan nanopartículas de oro a una neurona en vitro, con luz verde simulada y una acción potencial registrada.

En la figura se observan pipetas que llevan nanopartículas de oro a una neurona en vitro

El inconveniente de este método era que no podía usarse con neuronas que no reaccionaran a la toxina del escorpión. Los investigadores entonces unieron las nanopartículas de oro con anticuerpos que se unían a unos determinados canales de iones y del mismo modo que con la toxina Ts1 estas moléculas siguieron activando las células cuando se les aplicaba luz incluso después de bastante tiempo. El significado era claro: las nanopartículas se podían acoplar a diferentes anticuerpos según los tipos de célula que se quisiera activar, incluso cuando no se trataba de neuronas.

El estudio fue publicado en la revista Neuron en febrero de 2015 y mostraba los posibles usos del método: su resolución es similar a la de la optogenética pero no necesita modificar genéticamente las células. Además, puede usarse con cualquier célula que se excite buscando el anticuerpo adecuado para esa célula.

Entre sus posibles aplicaciones se encuentra la degeneración macular y otras enfermedades de la retina donde los fotoreceptores han perdido la capacidad de enviar señales a las células de la retina y al cerebro. Usando optocapacitancia se podrían rodear las células defectuosas y estimular un camino óptico para restablecer la visión.

Potencialmente la técnica puede ser válida para cualquier curación que requiera la estimulación de neuronas concretas en el cerebro o en los nervios periféricos aunque antes de usarse con personas requerirá muchos ensayos con animales vivos.

Otra posibilidad que ofrece es mejorar la manera de integrar robótica y prótesis en nuestros cuerpos. Sería factible conectar directamente varios aparatos a nuestro sistema nervioso  mejorando la respuesta sensorial y sustituyendo los sistemas actuales de reinervación de músculos (TMR, targeted muscle reinnervartion).

El equipo de investigadores dio el nombre de optocapacitancia al cambio de la capacitancia eléctrica de la membrana celular originada por la alteración que se induce en la luz y que despolariza la membrana y activa los canales de sodio. Es una técnica que está empezando pero que puede dar mucha luz sobre el modo en el que funciona el cerebro humano.

Estas vías de investigación están siendo más y más reconocidas por la comunidad científica y ya en 2008 los premios Nobel de Química fueron a tres científicos, Shimomura, Chalfie y Tsien los tres de universidades de los EEUU por sus trabajos en la proteína fluorescente verde (GFP en inglés) que se usa extensamente hoy para observar cómo se expanden las células cancerosas o se desarrollan las células nerviosas del cerebro.

El primero aisló la proteína de una sepia y descubrió su brillante brillo verde cuando se le aplicaba una luz ultravioleta; el segundo unió la proteína a células de un gusano usado en investigaciones biológicas y consiguió que las células brillaran, y finalmente Tsien añadió más colores al verde de modo que las proteínas y células pudieron teñirse para poder estudiar a la vez distintos procesos, entre los que destacan el seguimiento de las actividades de las células del cerebro o el embarazo.

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