Durante los últimos años, el campo de estudio de las neurociencias ha experimentado un auge sin precedentes. Las modernas técnicas de neuroimagen, que permiten conocer la actividad eléctrica y química del cerebro, junto a las técnicas de estimulación cerebral, no sólo  nos han permitido conocer  la intrincada estructura y funcionamiento del cerebro, sino también influir sobre su actividad. Técnicas como la Estimulación Magnética Transcraneal (TMS), son ampliamente utilizadas en la investigación e incluso en el tratamiento de trastornos neurológicos que son foco de interés de la neuropsicología, como el Alzheimer, el  Parkinson, la epilepsia o el autismo.

En el año 2016, la publicación de un artículo del novel de medicina SusumuTonegawa, llamado “Recuperación de memoria mediante la activación de células de engrama en modelos de ratones con enfermedad de Alzheimer temprana”, colocó en el foco de interés una novedosa técnica que había permanecido en un segundo plano hasta el momento: la Optogenética.

Nacida de la óptica y la genómica, la Optogenética es una novedosa técnica que consiste en inyectar, en grupos escogidos de neuronas, un virus benigno que contiene unas proteínas fotorreceptoras denominadas opsinas, que son canales iónicos, bombas protónicas o receptores acoplados a proteínas G, que hacen que las neuronas se vuelvan sensibles a la luz. Es decir, es una técnica que permite “otorgar” a las neuronas una propiedad que ellas no poseen de forma natural: las neuronas genéticamente modificadas son iluminadas con luz de una determinada longitud de onda, activando o inhibiendo los canales iónicos o las bombas de protones, produciéndose la despolarización o hiperpolarización y, consecuentemente, la estimulación o inhibición celular.

En unainvestigación anterior, Tonegawa y suequipo, habían especulado que en algún lugar de la red cerebral existía una población de neuronas que se activarían durante el proceso de adquisición de una huella de memoria, de un recuerdo, causando cambios físicos o químicos duraderos. Si estos grupos de neuronas son reactivados por un estímulo, como una imagen u olor particular, se recupera el recuerdo entero, toda la huella de memoria se recuerda. A estas neuronas, las llamaron «células de engrama de memoria.»

Tonegawa y sus colaboradores probaron su teoría usando dos grupos de roedores: unos sanos, y otros con mutaciones genéticas que provocan las primeras fases del alzhéimer. Los ratones modificados genéticamente desarrollan placas de proteína amiloide en el cerebro y también acaban perdiendo sus recuerdos de la misma manera que sucede en los enfermos de alzhéimer.En una primera fase del estudio, los investigadores demostraron la pérdida de memoria colocando a los ratones en una caja en la que recibían descargas eléctricas. Unos días después, los ratones normales aprendieron a temer la caja. Pero los ratones modificados genéticamente no, porque olvidaron haber recibido las descargas.En una segunda fase, los científicos usaron la optogenética para añadir la proteína sensible a la luz a las células de engrama del hipocampo de los roedores, que son las que almacenan los recuerdos traumáticos recientes. Al hacerlo, observaron que los ratones modificados genéticamente eran capaces de asociar la habitación a la descarga eléctrica. Es decir, cuando esas células de engrama eran excitadas con la luz, los ratones eran capaces de recordar la descarga eléctrica. Pero no sólo eso,  cuando posteriormente, diseccionaron los cerebros de los animales, encontraron que la estimulación a través de la luz láser había creado más conexiones entre el hipocampo y la corteza entorrinal, conexiones que se pierden a medida que la enfermedad de Alzhéimer progresa.

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FIGURA 1. Dendritas de células de engrama que conectan el hipocampo con la corteza entorrinal. En la imagen de la izquierda, dendritas de dos sujetos (AD1 y AD2) modificados genéticamente para expresar los síntomas del Alzhéimer. En el centro, dendritas de dos sujetos normales. A la derecha, dendritas de los sujetos AD1 y AD2 tras el uso de optogenética. La proliferación y aumento de espinas dendríticas es evidente en ambos casos.

El procedimiento de la Optogenética es relativamente sencillo: se inyecta, en la región de interés del cerebro, el virus que contiene el gen que codifica la opsina junto a un promotor específico, que hará que la opsina se una a un grupo de neuronas específicas. La estimulación con longitud de onda se  hace a través de un cable de fibra óptica que se inserta con un electrodo en el cráneo del sujeto.

En la práctica, se utilizan múltiples tipos de opsinas. Por ejemplo, la primera opsina utilizada para controlar la actividad neuronal fue la ChR2. La ChR2 es un canal catiónico que responde a luz azul (460 nm) permitiendo el paso de cargas positivas al interior de la célula, desporalizándola y, con ello, causando la excitación de la actividad neuronal.

En contraposición, la NpHR es una proteína de membrana que constituye bombas de iones de cloro. Cuando estas proteínas se exponen a la luz amarilla (580 nm), trasportan iones de cloro al interior celular, causando su hiperporalización e inhibición de la actividad neuronal. Dependiendo de las opsinas que se expresen, un laboratorio de optogenética puede requerir fuentes de iluminación en azul, verde, amarilla o roja. A veces, una combinación de longitudes de onda se utiliza para activar y silenciar comportamientos celulares alternativamente.

Xavier Drouot et al., también utilizaron la Optogenética en sus investigaciones sobre el Parkinson, tal y como reflejaron en su artículo “Functionalrecovery in a primate model of Parkinson’sdiseasefollowing motor cortexstimulation”. Como ya sabemos, en líneas muy generales, en la enfermedad de Parkinson existe un importante déficit de dopamina que afecta a los ganglios basales. Para luchar contra esa deficiencia de dopamina, se suele administrarlevodopa (L-DOPA) por vía oral. Este tratamiento es eficaz a corto y medio plazo, corrigiendo la actividad patológica de los ganglios basales y aliviando los síntomas motores. Sin embargo, a medio-largo plazo esta terapia se vuelve ineficaz, causando fluctuaciones motoras y discinesias tan invalidantes como los propios síntomas de la enfermedad. Es en esta fase de la enfermedad, cuando se suele proponer a algunos pacientes un tratamiento neuroquirúrjico alternativo: la estimulación cerebral profunda (ECP) sobre el núcleo subtalámico. Pues bien, estos autores demostraron que la optogenética ofrece una interesante alternativa terapeútica a la estimulación cerebral profunda. En su investigación, encontraron que la fotoestimulación del haz cortico-motor subtalámico en una línea de ratones transgénicos que expresaban la opsina ChR2 en las neuronas de proyección de la neocorteza, pero no en las neuronas del núcleo subtalámico, es suficiente para reproducir los efectos que la estimulación cerebral profunda tiene sobre el núcleo subtalámico. Además, al no actuar sobre el núcleo subtalámico directamente, no se afectan los componentes aferentes corticales asociados y límbicos del núcleo subtalámico, los cuales pueden conducir a depresión, hipomanía y síndromes confusionales.

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FIGURA 2. Fotoestimulación sobre el haz cortico-motor subtalámico.En la imagen de la izquierda, en verde, el haz cortico-motor. A la derecha, tasa media de disparo de las neuronas del Globo Pálido ipsilateral. La barra negra es la tasa media de disparo de los sujetos control, y las rosas son la de los sujetos en los que se usó la optogenética, y a los que se les habían inducido los síntomas parkinsonianos con un tratamiento de MPTP durante 52 semanas. Se puede observar la tasa de disparo en un momento de fotoestimulación (PRE), luego se detenía (PER), y se volvía a hacer (POST). Podéis observar como la tasa de disparo es mucho mayor en las fases PRE y POST que en sujetos controles, mientras que en la fase PER, en la que no se producía la fotoestimulación, la tasa de disparo es menor a la de los sujetos controles.

Pero el campo de actuación de la Optogenética no se limita a las demencias. La estimulación eléctrica y el tratamiento farmacológico con antiepilépticos, han sido las bases de la investigación de la epileptogénesis y del tratamiento de la epilepsia durante muchos años. Sin embargo, estas técnicas tienen ciertos inconvenientes. La estimulación eléctrica genera grandes artefactos que interfieren con el registro eléctrico y carece de especificidad espacial; es imposible estimular subclases específicas de neuronas. Por su parte, el tratamiento farmacológico, nos ofrece una muy mala resolución temporal Pues bien, una de las grandes razones por las que la optogenética ha supuesto una revolución en la neurociencia ha sido porque, tanto para activar como para inhibir,resuelve el problema de la falta de especificidad de las técnicas actuales de estimulación eléctrica: permite un control celular con una alta resolución temporal y espacial.

Un caso ilustrativo lo encontramos en las investigaciones de JanTønnesen et al. Estos investigadores encontraron que los pacientes que sufren epilepsia crónica sufren un aumento en la excitabilidad de las células piramidales. Existe un tipo de opsina, la NpHR3.0 que, unida al promotor CaMKII II, hace que dicha opsina se produzca sólo en las neuronas piramidales. De esta forma, la estimulación con la luz induce la inhibición de estas neuronas excitatorias, reduciendo así la actividad epiléptica.

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FIGURA 3. Registro de crisis epilépticas en roedores.En la imagen C, la línea verde señala el inicio de la crisis epiléptica de un sujeto y la línea amarilla que aparece es la estimulación con la luz sobre las neuronas piramidales. En negro, la excitación de las células registradas. Dos episodios epilépticos en D y E.  En la imagen D, la terapia optogenética se aplica al inicio del episodio. En la imagen D, no se aplica.  Como se puede  observar, la excitación es mucho mayor en el ratón que no recibió fotoestimulación mientras que, en el que sí la recibió, la actividad epiléptica casi desaparece por completo.

La Optogenética constituye uno de los enfoques más novedosos en el campo de las neurociencias. Su calidad en cuanto a resolución temporal y, sobre todo, espacial, la convierten en una potencial alternativa a técnicas más consagradas como la estimulación eléctrica.Los revolucionarios resultados obtenidos en modelos animales  han  convertido a la Optogenética en un prometedor enfoque en el tratamiento de enfermedades neurológicas como Alzhéimer, Parkinson o Epilepsia.

Sin embargo, esta técnica nunca se ha utilizado en humanos: aún no se ha descubierto cómo estimular el cerebro humano utilizando luz. El reto principal que afrontan las terapias de optogenética es cómo insertar los genes que produzcan canales de opsina en las neuronas humanas adultas. En roedores los investigadores han empleado dos estrategias: hacer ratones transgénicos que producen opsinas en neuronas específicas (esta opción no es válida en seres humanos), y usar virus como vectores que implanten el gen en las neuronas. Los virus se están utilizando actualmente para otros tipos de terapia génica en humanos, pero sigue habiendo problemas, pues los virus deben penetrar neuronas maduras y entregar su carga de genes sin provocar una reacción inmune. Además la neurona tiene que expresar la opsina en el lugar correcto, y tiene que seguir produciendo la proteína de forma continua, idealmente para siempre.

No podemos olvidar, las grandes barreras éticas con las que la genómica en general, y la optogenética en particular, se encuentran: cambiar la genética de las neuronas, dotarlas de nuevas propiedades es, a ojos de muchos, cambiar la esencia humana y, por ello, no  conocemos aún cómo la inyección del virus benigno afectaría al funcionamiento de las células cerebrales humanas.

BIBLIOGRAFÍA

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Drouot, X., Oshino, S., Jarraya, B., Besret, L., Kishima, H., Remy, P., …&Bottlaender, M. (2004). Functional recovery in a primate model of Parkinson’s disease following motor cortex stimulation. Neuron, 44(5), 769-778.

Roy, D. S., Arons, A., Mitchell, T. I., Pignatelli, M., Ryan, T. J., &Tonegawa, S. (2016). Memory retrieval by activating engram cells in mouse models of early Alzheimer’s disease. Nature, 531(7595), 508-512.

Tønnesen, J., Sørensen, A. T., Deisseroth, K., Lundberg, C., &Kokaia, M. (2009).Optogenetic control of epileptiform activity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(29), 12162-12167.

vanWyk, M., Pielecka-Fortuna, J., Löwel, S., &Kleinlogel, S. (2015). Restoring the ON switch in blind retinas: opto-mGluR6, a next-generation, cell-tailored optogenetic tool. PLoSBiol, 13(5), e1002143.

Paloma Murillo del Puerto

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