Optogenética: el arte de iluminar neuronas

La optogenética es una técnica en la que combina la expresión de proteínas sensibles a la luz en neuronas de manera específica, con la precisión temporal necesaria (milisegundos) para que tenga relevancia funcional, desde el punto de vista de un circuito neuronal intacto; y conductual, ya que es una técnica que se puede emplear en el animal despierto.

El pionero en emplear la luz como fuente de estimulación sobre neruonas de Drosophila fue Miesenböck en el año 2002. Sin embargo fueron Ed Boyden y Karl Deisseroth quienes tras expresar con éxito un complejo funcional sensible a la luz en un cultivo de neuronas de mamífero, acuñaron el término de optogenética (Deisseroth et al. 2006).

Pero, ¿en que consiste esta técnica?

Básicamente consiste en expresar unas proteínas que actúan a modo de canales ionicos y que se activan en respuesta a la luz en las células neuronales de los animales de experimentación. Esas proteínas proceden de microorganismos (bacterias y algas unicelulares) y pertenecen a la familia de las opsinas (bacterorodopsinas, canalrodopsinas y halorodopsinas). Se localizan en la membrana celular, generalmente formando un poro, que al abrirse permite el paso selectivo de iones a su través. De esta manera podemos seleccionar el tipo de canal para activar a una neurona o en caso contrario silenciar la actividad de otra. 

Para expresar estos canales podemos hacerlo mediante un modelo de cepa de ratón modificado genéticamente, lo que conlleva al mantenimiento de colonias, o bien mediante un vector vírico (lo cual es más rápido y más barato) que se inyecta directamente en el cerebro del animal. Estos virus son modificados genéticamente para que transporten el gen de los canales ionicos sensibles a la luz, y además un promotor que permita su expresión en poblaciones específicas de neuronas. La estimulación de estos canales requiere una fuente lumínica, y esto se consigue mediante la implantación de una fibra óptica, que mediante cirugía estereotáxica, nos permite aproximarnos con precisión a la región cerebral que nos interesa estudiar. La fuente lumínica que se utiliza puede variar en función de las necesidades, desde una fuente de luz láser, a una de tipo LED.

El auge de esta técnica (nombrada técnica del año 2010 por la revista Nature Methods) se debe principalmente a su precisión temporal (recordad que es de milisegundos). Esto ha permitido profundizar en el conocimiento de las función de circuitos neuronales y de su participación en funciones biológicas tan complejas como la conducta. Por tanto, las aplicaciones de la técnica son diversas, por ejemplo en patologías del sistema nervioso (Parkinson, Alzheimer, esquizofrenia, depresión, trastornos de ansiedad...). Sin embargo sus aplicaciones no quedan restringidas al mundo de la neurociencia. Uno de ellos es la cardiología, modulando la contracción de las células musculares cardíacas, lo que podría suponer un nuevo tratamiento de las arritmias.

Os recomiendo el siguiente vídeo, en el que se explica todo lo que hasta ahora os he comentado yo, pero de manera más visual, en inglés, pero merece la pena.

Pero como cualquier técnica, también tiene aspectos criticables. El empleo de un virus para introducir una secuencia génica, la expresión de proteínas que no son propias de ese animal, junto a la fuente de luz empleada, que podría producir un aumento de la temperatura local, son algunos de sus puntos débiles. No obstante, estos inconvenientes no restan utilidad a esta técnica, cuyo futuro al más corto plazo está en obtener una amplia gama de canales sensibles a la luz que modificados en laboratorio, sean permeables a distintos iones y sensibles a diferentes longitudes de onda.  El futuro más lejano? Aún está por iluminar.