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» » Optogenética: El control del cerebro con la luz (1)

A pesar de los enormes esfuerzos de médicos e investigadores, nuestra limitada visión de la enfermedad psiquiátrica (la causa principal en todo el mundo de años de vida perdidos, de muerte o discapacidad), oscurece la búsqueda de curas y contribuye a la estigmatización. Claramente, necesitamos nuevas respuestas de la psiquiatría. Pero, como diría el filósofo de la ciencia Karl Popper, antes de encontrar las respuestas, necesitamos saber hacer las nuevas preguntas. En otras palabras, necesitamos una nueva tecnología.

El desarrollo de técnicas adecuadas es difícil, ya que el cerebro de los mamíferos no tiene comparación en su complejidad. Es un intrincado sistema en el que decenas de miles de millones de neuronas entrecruzadas, con multitud de distintas características y patrones, calculan con precisión las señales eléctricas a escala de milisegundos, así como con una rica diversidad de mensajes bioquímicos. Debido a esa complejidad, a los neurocientíficos les falta una comprensión profunda de lo que en realidad está haciendo el cerebro, de cómo esos patrones de una determinada actividad dentro de células específicas del cerebro dan lugar a pensamientos, sentimientos y recuerdos. Por extensión, tampoco sabemos cómo ciertos fallos físicos del cerebro producen diferentes trastornos psiquiátricos, como la depresión o la esquizofrenia. El paradigma dominante de los trastornos psiquiátricos, moldeándolos en términos de desequilibrios químicos y alteración de los neurotransmisores, no hace justicia a la altísima velocidad de los circuitos neuronales eléctricos del cerebro. Históricamente, los tratamientos psiquiátricos exitosos han sido en gran medida casuales: útiles, pero rara vez iluminan el camino, en tanto, el sufrimiento de los pacientes forma parte de los retos que la neurociencia.

En un artículo de 1979, en la revista Scientific American, el premio Nobel Francis Crick proponía que el gran reto de la neurociencia es la necesidad de controlar un tipo de célula del cerebro, dejando inalteradas las demás. Los estímulos eléctricos no pueden responder a este desafío, ya que los electrodos son demasiado rudimentarios como herramienta: estimulan todos los circuitos en el lugar de inserción, sin distinguir entre tipos diferentes de células, y sus señales no pueden desactivar neuronas con precisión. Las drogas no son suficientemente específicas, y son mucho más lentas que la velocidad operativa natural del cerebro. Más tarde, Crick rebuscó entre apuntes las características que la luz pudiera tener para servir como una herramienta de control, ya que podía emitirse en pulsos precisos cronometrados, pero hasta el momento nadie tenía una estrategia para hacer que unas células en concreto respondieran a la luz.

Entre tanto, en el reino de la biología, estudiando el cerebro de los mamíferos, los investigadores comenzaban a trabajar con microorganismos, de manera que mucho más tarde llegaría a ser relevante. Hace al menos 40 años, los biólogos sabían que algunos microorganismos producen proteínas que regulan directamente el flujo de carga eléctrica a través de las membranas celulares, en respuesta a la luz visible. Estas proteínas, producidas por el característico grupo de genes "opsinas", que ayudan a extraer la energía e información de la luz en los ambientes microbianos. En 1971, Walther Stoeckenius y Dieter Oesterhelt, entonces en la Universidad de California en San Francisco, descubrieron que una de estas proteínas, bacteriorodopsina, actúa como una bomba de iones de un solo componente que puede ser activado brevemente por fotones de luz verde, toda una máquina molecular. Más tarde, se identificó a otros miembros de esta familia de proteínas, la halorhodopsina en 1977 y la channelrhodopsina en 2002, continuando el tema original de 1971 de un solo gen, todo en un solo control.

Mirándolo con perspectiva, en la solución al desafío de Crick, el potencial estratégico que avanza considerablemente en la investigación del cerebro, es algo que estaba latente en la literatura científica, incluso antes de que se articulara el desafío. Sin embargo, pasaron más de 30 años, hasta el verano de 2005, para que estos campos se unieran en una nueva tecnología (la optogenética), basada en los genes microbianos opsina.

Optogenética es la combinación de la genética y la óptica, cuyo objetivo es controlar eventos bien definidos dentro de las células específicas del tejido vivo. Incluye el descubrimiento y la inserción dentro de las células de los genes que confieren la capacidad de respuesta de luz, y también, las tecnologías asociadas a la emisión de luz profunda en organismos tan complejos como los mamíferos que se mueven libremente, para reorientar la sensibilidad a la luz de las células que interesen, y así evaluar las lecturas específicas, o los efectos, de este control óptico.

Lo que entusiasma a los neurocientíficos sobre la optogenética es el control de eventos definidos dentro de determinados tipos de células en tiempos concretos, un nivel de precisión que es fundamental para la comprensión biológica incluso más allá de la neurociencia. El significado de cualquier evento en una celda, cobra pleno sentido solamente en el contexto de otros eventos que ocurren en el resto del tejido a su alrededor, en el organismo total o incluso en un medio ambiente más grande. Cualquier cambio de unos pocos milisegundos en el tiempo de activación de una neurona, por ejemplo, puede a veces invertir completamente el efecto de su señal al resto del sistema nervioso. A una escala de precisión de milisegundos dentro del comportamiento de los mamíferos ha sido esencial para una información clave, tanto para la función normal del cerebro como en problemas clínicos, como el parkinsonismo.

La optogenética, la medicina y la psiquiatría

Un trabajo de la Organización Mundial de la Salud, ha demostrado que la enfermedad psiquiátrica es la fuente principal de discapacidad en todo el mundo en términos de años de vida perdidos por muerte o discapacidad. Es más, una sola enfermedad psiquiátrica, una gran depresión, es la principal causa de discapacidad en el mundo de las mujeres entre 15 a 44 años. Y lo peor es el estigma que queda (lo que explica el por qué el oir hablar sobre esta epidemiología sorprende tanto a muchas personas). ¿Por qué el estigma? Una razón importante es la falta de entendimiento colectivo. De igual manera que en el diagnóstico de un cáncer, el estigma aparece debido tal vez a una confusión sobre lo que en realidad "es" el cáncer, más que a la preocupación por los riesgos de contagio, se lleva a cabo a través de la especie de culpa de que el cáncer tiene algo que ver con la personalidad del paciente, también contribuye a la estigmatización la falta de comprensión de la enfermedad psiquiátrica y una gran desaceleración en los avances en este enorme problema para la salud humana global. Esta falta de visión, por desgracia, es universal: en toda la comunidad mundial, desde el público en general hasta los psiquiatras más influyentes y avanzados, básicamente no sabemos qué "es" esta enfermedad psiquiátrica.
                 
Pongamos un ejemplo: ¿Qué es la depresión? A diferencia del caso de insuficiencia cardiaca, por ejemplo, no tenemos buenos modelos que representen una disfunción de un órgano en la depresión. El corazón es una bomba, y su disfunción (en una aproximación de primer orden) se refiere a su bombeo, que puede ser fácilmente comprensible, medido, modelado y ajustado. Pero en cuanto al cerebro nos falta la comprensión profunda de lo que está haciendo en realidad, que en todo caso significa que no entendemos sus modos de fallo.
                 
Me enfrento continuamente cara a cara con este desafío. Además de dirigir un laboratorio de investigación en el departamento de bioingeniería, también soy un psiquiatra, y trato a los pacientes utilizando regularmente combinaciones de medicamentos, terapia, y estimulación eléctrica cerebral o magnética. Después de mis años de estudiante en la Universidad de Harvard, obtuve el doctorado en la Universidad de Stanford, centrándome en la electrofisiología sináptica y en los estudios de óptica de los circuitos neuronales de mamíferos. Terminé el posdoctorado en psiquiatría en Stanford, donde he ejercido como médico y he desarrollado habilidades en el estudio del comportamiento animal. Aunque como médico empleo herramientas modernas (como la estimulación magnética transcraneal), estas herramientas no son aún lo suficientemente buenas, y lo más importante, no proporcionan una visión profunda sobre las enfermedades, cabe destacar (como así lo hacen los pacientes) nuestras limitaciones. Recuerdo a un brillante joven estudiante universitario que sufría de una depresión psicótica y estaba aterrorizado por unas voces incomprensibles e ideas extrañas incontrolables en su mente. Recuerdo a una mujer jubilada, tan severamente deprimida que no era capaz de sonreír, apenas podía comer y que no respondía a sus nietos. Mi incapacidad para explicar estos cambios de una manera científica y la lamentable carencia de respuestas para el tratamiento de estos pacientes, es una experiencia que nunca ha salido de mi mente.
                 
Como investigador principal y psiquiatra de Stanford en 2004 (y el apoyo de una nueva subvención del Instituto Nacional de Salud Mental), fui capaz de reunir y poner en marcha un equipo de investigación para afrontar el reto tecnológico de un control neuronal preciso. Y como sucede a menudo en la ciencia, nuestra necesidad colectiva de nuevas ideas ha ayudado a impulsar el desarrollo de las nuevas tecnologías. Reflexionar sobre nuestro trabajo optogenético aquí, también me proporciona la oportunidad de considerar la amplitud de las implicaciones del proceso científico.


  • - Referencia: ScientificAmerican.com, por Karl Deisseroth, 20 de octubre 2010
  • - El autor: Karl Deisseroth es miembro de las facultades de bioingeniería y psiquiatría de la Universidad de Stanford. Ha sido laureado con el Premio Internacional Nakasone 2010 por su desarrollo de las opsinas microbianas y de la optogenética.

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Editor del blog Pedro Donaire

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