Una revolución científica que comenzó con un alga

En las ciencias del cerebro (neurociencias) se tiene como objetivo general la de comprender cómo la actividad eléctrica de miles de millones de neuronas produce nuestros movimientos, recuerdos, emociones y desde luego cómo nos comportamos. Durante décadas, los científicos podían registrar la actividad de las neuronas mediante electrodos de diferentes metales. Sin embargo, esta metodología tiene dificultades para controlar con precisión un grupo limitado de neuronas y conocer si su actividad es realmente responsable de una determinada conducta.

La historia de la investigación resulta particularmente atractiva para estudiantes porque uno de los avances más importantes de la neurociencia moderna no comenzó estudiando el cerebro humano, sino un microorganismo acuático: el alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtii. Los investigadores Peter Hegemann y Georg Nagel, mostraron que la Chlamydomonas necesitan detectar la luz lo que se le denomina fototaxis; esto es la atracción hacia fuentes de luz, para guiar su movimiento hacia el mejor punto de luminosidad y eficientar su fotosíntesis. Estos investigadores identificaron y caracterizaron a las proteínas que se localizan en la membrana del alga denominadas canal rodopsinas. Se llaman así porque las rodopsinas son sensibles a la luz, como las que tenemos en los conos y bastones de nuestra retina, la parte del ojo con la que somos sensibles a la luz (blanco y negro), o a los tres colores básicos: verde, rojo y azul. Algo similar sucede en las impresoras a colores donde solo tenemos tres colores básicos (magenta, cian y amarillo). Las canalorodopsinas tienen anexo un canal por donde pasan iones y generan una chispa eléctrica que es la base de cómo operan nuestras neuronas.

En 2002, Nagel, Hegemann y sus colaboradores caracterizaron a la canalorodopsina 1 (ChR1), mostrando que funcionaba como un canal de iones activado directamente por luz. Un año después caracterizaron a la canalorodopsina-2 (ChR2). Esta última resultaría fundamental para el nacimiento de la optogenética, ya que esta se encuentra integrada a la membrana celular. Cuando absorbe luz, en particular la de color azul, cambia su forma y abre un pequeño poro. Después mostraron que la canalorodopsina ChR2 podía introducirse en otras células y conservar su funcionamiento cómo un interruptor molecular controlado por luz. Entonces el Dr. Karl Deisseroth ideó como convertir este interruptor activado por luz en una herramienta para controlar neuronas, por lo que se abocaron a buscar cómo introducir el gen de la canalorodospsina-2 en neuronas de mamífero. Cuando iluminaron las células, pudieron producir chispas de potenciales de acción con una precisión de milisegundos. Posteriormente se incorporaron otras proteínas capaces de inhibir las neuronas, mediante otra canalorodopsina denominada NpHR, con la cual se logró inhibir ópticamente la actividad de las neuronas. Así se hizo posible tanto encender o apagar circuitos neuronales mediante diferentes longitudes de onda de luz.

Desde 2005 la optogenética se ha utilizado en miles de experimentos para investigar circuitos relacionados con movimiento, aprendizaje, memoria, recompensa, sueño, miedo, ansiedad, alimentación y conducta social. También ha permitido estudiar mecanismos asociados con enfermedades como epilepsia, enfermedad de Parkinson y diversos trastornos neurológicos y psiquiátricos.

En epilepsia, por ejemplo, los experimentos con animales han demostrado que es posible detectar el comienzo de una crisis y utilizar sistemas optogenéticos para modificar rápidamente la actividad de determinados circuitos e inhibir las crisis epilépticas e incluso se han desarrollado experimentalmente sistemas de circuito cerrado, capaces de detectar una crisis y responder automáticamente mediante una estimulación óptica para yugular a las crisis epilépticas.

Para actuar sobre el cerebro humano sería necesario introducir genes que codifiquen las proteínas fotosensibles y disponer de dispositivos capaces de llevar luz hasta las neuronas adecuadas de forma segura y duradera. Una aplicación clínica más avanzada de la optogenética es algo que se ha logrado en un lugar que es más accesible a la luz, como lo es la retina, la cual se ubica en el fondo del ojo y es con lo que vemos. Existe una enfermedad degenerativa llamada retinitis pigmentosa, en esta los fotorreceptores, que normalmente captan la luz, se deterioran progresivamente por lo que se pierde la vista, pero otras células de la retina pueden permanecer vivas durante bastante tiempo. Así que en un ensayo clínico a un paciente con retinitis pigmentosa se le infectaron las células ganglionares de la retina con ayuda de un adenovirus que contenía el gen de la canalorodopsina ChrimsonR, una proteína fotosensible. Posteriormente utilizó unas gafas especiales que captaban imágenes y proyectaban patrones luminosos apropiados sobre la retina modificada. Después del tratamiento y con un entrenamiento, el paciente pudo percibir, localizar, contar y tocar determinados objetos utilizando el ojo tratado junto con las gafas logrando que se activara la corteza visual asociada con la percepción de los objetos. No significaba que hubiera recuperado una visión normal, pero constituyó una demostración extraordinaria: una estrategia optogenética podía producir una recuperación funcional parcial de la visión en un ser humano. Ya existen otros ensayos en pacientes con epilepsia, o con enfermedad de Parkinson, enfermedades neurodegenerativas o incluso en restauración auditiva que continúan en exploraciones iniciales denominadas preclínicas.

La optogenética también demuestra que la investigación básica y la medicina están profundamente relacionadas. Una proteína que ayudaba a sobrevivir a un microorganismo acuático terminó proporcionando una herramienta para estudiar cómo el cerebro produce comportamientos y, dos décadas después, comenzó a utilizarse experimentalmente para intentar devolver parcialmente la visión a personas ciegas.