Consiguen detener la actividad neuronal sólo con luz

Un equipo de neuroingenieros del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) ha descubierto una fórmula para detener rápidamente y de manera reversible la actividad neuronal, simplemente aplicando diversos tonos de luz a las neuronas.

Según publica el MIT en un comunicado, este hallazgo permitirá desarrollar nuevos tratamientos para trastornos como la epilepsia o el dolor crónico.

Hasta ahora, se había investigado la posibilidad de aplicar a enfermos de epilepsia corrientes eléctricas para detener la actividad descontrolada de las neuronas durante los ataques. Esta nueva investigación abre la posibilidad de detener dichos ataques con luz, en lugar de con electricidad.

Proteína Arch

Los neuroingenieros, dirigidos por el profesor del MIT Media Lab, Edward Boyden, descubrieron una clase de proteínas que, insertadas en las neuronas, permiten que éstas sean desactivadas con rayos de luz verde amarillenta. Esta detención neuronal puede ser revertida de forma instantánea y sencilla, aseguran los científicos.

Además de permitir la creación de nuevos tratamientos, este hallazgo podría servir para la investigación del papel de los diferentes tipos de neuronas en los circuitos cerebrales normales, y de las razones por las que éstos pueden llegar a funcionar de manera errónea.

Según explica Boyden en el comunicado del MIT, la técnica desarrollada supondrá una importante base para la creación de herramientas moleculares de control de la actividad cerebral, con fines terapéuticos y científicos.

En 2007, Boyden y sus colaboradores demostraron por vez primera que la luz podía reducir la actividad cerebral. Sin embargo, entonces el logro fue realizado con células, no con animales vivos, y los efectos no resultaron tan precisos.

En este nuevo estudio, cuyos resultados han aparecido publicados en Nature, los investigadores usaron una proteína diferente, que inhibe más fuertemente a las neuronas, silencia mayor cantidad de tejido cerebral, y que puede ser activada repetidamente, porque vuelve a su estado original en unos milisegundos. Gracias a esta proteína, que ha sido bautizada con el nombre de “Arch”, el silenciamiento del cerebro resulta “extremadamente limpio”, afirma Boyden.

Aplicación de la optogenética

Los científicos combinaron técnicas genéticas y ópticas para controlar la actividad neuronal, es decir, aplicaron una novedosa estrategia conocida como “optogenética” en.wikipedia.org/wiki/Optogenetics, y que ha sido utilizada anteriormente para determinar circuitos neuronales en mamíferos y otros animales.

De hecho, Boyden no es el primer científico que utiliza esta técnica: por ejemplo, el pasado mes de septiembre, en la revista Nature se explicaba cómo investigadores de la Universidad de California en Berkeley aplicaron la optogenética para conseguir que un pez cebra iniciara un movimiento lateral de su cola sólo mediante la aplicación de luz a sus neuronas.

Por otro lado, en 2008, la revista Scientific American publicó un artículo en el que se señalaban los avances realizados hasta el momento en optogenética, una ciencia aparecida por vez primera en 2006.

Cómo se hizo

Boyden y sus colaboradores comenzaron modificando genéticamente las células del cerebro de ratones vivos para que éstas expresaran el gen para la proteína Arch. Esta proteína funciona como una “bomba” de protones, por lo que provoca que dichos protones se muevan a través de la membrana celular. Este movimiento altera el voltaje de las células.

En otras palabras, la proteína Arch, que es sensible a la luz, al recibir estimulación lumínica “bombea” los protones hacia el exterior de las células. Como consecuencia, el voltaje dentro de éstas se reduce y, gracias a esta reducción, se consigue la detención de la actividad neuronal.

La proteína Arch, que fue hallada, tras numerosas pruebas, en una variedad de microorganismos unicelulares archaea es.wikipedia.org/wiki/Archaea llamada Halorubrum sodomense y presente en el Mar Muerto, cuenta con la ventajas de que puede ser utilizada una y otra vez.

Esto se debe a que recupera su capacidad de ser activada por la luz en unos segundos. Por tanto, además de servir para controlar ataques epilépticos, podría permitir no tener que esperar mucho tiempo entre estimulación y estimulación, para comparar diferentes condiciones neuronales rápidamente, en el caso de que se quieran estudiar los circuitos del cerebro.

Para provocar la detención de la actividad neuronal en los ratones, los científicos les implantaron a éstos una fuente de luz dentro del cerebro, y controlable desde el exterior. Los investigadores trabajan para diseñar un sistema de control de dicha fuente sin cables.

Pruebas pre-clínicas

El equipo de Boyden se prepara ya para realizar las primeras pruebas pre-clínicas con esta técnica, que se llevarán a cabo con primates no-humanos.

La finalidad de estas pruebas será la de evaluar la seguridad de la técnica y su potencial terapéutico para el tratamiento de la epilepsia, del dolor crónico, y también de los trastornos por estrés post-traumático en humanos.

En futuras investigaciones, además, los científicos usarán las herramientas de silenciamiento neuronal para examinar los circuitos neuronales relacionados con la cognición y las emociones.