Arrojando luz sobre cómo los neurólogos pueden controlar nuestro cerebro

El pionero Gero Miesenböck explica cómo la optogenética iluminó la neurociencia

En 1999, el neurólogo Gero Miesenböck soñaba con usar la luz para exponer el funcionamiento interno del cerebro. Dos años más tarde, inventó la optogenética, una técnica que logra este objetivo: mediante la ingeniería genética de las células para que contengan proteínas que las hagan receptivas a la luz, Miesenböck descubrió que puede iluminar el cerebro y desencadenar la actividad eléctrica en estas células. Esta técnica les dio a los científicos las herramientas para activar y controlar poblaciones específicas de células cerebrales por primera vez. Por ejemplo, Miesenböck, quien dirige el Centro de Circuitos Neurales y Comportamiento de la Universidad de Oxford, utilizó por primera vez la optogenética para activar las respuestas del patio a las moscas de la fruta e incluso para hacer que las moscas sin cabeza despeguen, experimentos innovadores que permití examinar con un detalle sin precedentes. , la forma en que las neuronas conducen el comportamiento.

DyN Noticias habla con Miesenböck, ponente en DyN Noticias Health 2016, sobre cómo la optogenética ha cambiado la neurociencia y por qué la intervención es clave para la comprensión científica.

DyN Noticias: Combinando la genética con la luz, ¿cómo se te ocurrió la idea?

Gero Miesenböck: Fue casi un momento «eureka». Como suele ser el caso, tiendes a tener las mejores ideas cuando no estás tratando de conseguirlas: de repente tuve esta idea, que tengo que incubar durante mucho tiempo, porque estaba pensando en manipular neuronas en el cerebro genético. a emite luz para que pueda ver su actividad. De repente pensé: «¿Qué pasa si simplemente le damos la vuelta a la cosa y, en lugar de leer la actividad, escribimos la actividad usando luz y genética?» Esta fue la idea real del descubrimiento y luego vino, por supuesto, el gran desafío de tener que hacerlo funcionar.

La «escritura» activa o la «creación» de actividad cerebral es la idea principal detrás de la optogenética. ¿Cómo funciona?

Los cerebros están formados por varios tipos diferentes de células nerviosas y son genéticamente distintos entre sí. Para deconstruir cómo funciona el cerebro, necesitamos identificar los roles que desempeñan estas clases de células individuales en el procesamiento de la información. La optogenética utiliza las firmas genéticas que definen los tipos de células individuales para abordarlos de forma selectiva en el cerebro intacto; este es el componente «genético». El componente «opto» es utilizar estas firmas genéticas para colocar moléculas sensibles a la luz que están codificadas en el ADN de estas células. Nuestro cerebro normalmente funciona con electricidad, y la optogenética usa esas moléculas sensibles a la luz para generar impulsos eléctricos solo en las células que han sido genéticamente dirigidas a responder a la luz. Entonces puedes «hablar» con estas células usando destellos de luz.

Para comprender verdaderamente el cerebro, cree que debemos intervenir. ¿Por qué es tan importante la intervención?

Hubo un matemático llamado Richard Bellman que dijo que existe una progresión natural en todos los campos científicos, que los humanos inicialmente comienzan solo observando la naturaleza, pero a medida que aprenden más y más sobre sus fuerzas básicas, los científicos cambian de observadores a perpetradores. Poder hacer, controlar, es importante no solo por razones tecnológicas; Creo que también es la forma más poderosa de entender cómo funciona realmente algo. Así es como puede probar su hipótesis, cómo puede averiguar si tiene razón o no en su comprensión.

¿Puede dar un ejemplo?

Si planteo la hipótesis de que ciertas células tienen un fuerte control sobre el sueño, entonces mi predicción es que si inician estas células [using optogenetics on a fruit fly], la mosca se dormirá 1. Si el experimento no sale de esa manera, entonces sé que mi idea es incorrecta. No se puede obtener la misma conclusión firme mediante la observación. La optogenética está relacionada con la conexión y el control. Creo que lo que permitió en la neurociencia, por qué fue tan impactante, incluso transformadora, tal vez, es que movió el campo de la observación pasiva a la intervención activa.

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La optogenética se aplicó por primera vez al cerebro, pero se extendió …

Sí, por supuesto. El corazón es uno. Las personas han cambiado el ritmo de los latidos del corazón mediante intervenciones optogenéticas. Alguien me envió un correo electrónico hace algún tiempo que mostraba que los espermatozoides se pueden controlar optogenéticamente. Y, por supuesto, puede interferir no solo con los aspectos eléctricos, sino también con los diversos aspectos de la señalización bioquímica. Los genes se pueden activar y desactivar, los mensajes químicos a través de los cuales las células se comunican se pueden activar o desactivar. La semilla de la idea se ha extendido ahora a muchos campos diferentes a lo largo de la biología.

Utilice la optogenética para estudiar el sueño de las moscas de la fruta. ¿Por qué?

Hay un mecanismo en el cerebro que de alguna manera realiza un seguimiento del tiempo que estuviste despierto y nos lleva a la cama cuando hemos superado nuestro límite. Evidentemente, no sabemos a qué responde ese mecanismo. Pero si pudiéramos entender qué es eso, creo que realmente resolveríamos el problema. Actualmente estamos trabajando en este problema en las moscas y usamos la optogenética para controlar diferentes grupos de células en el cerebro que instantáneamente ponen a las moscas a dormir o las despiertan de nuevo 2. Luego vemos cómo estos grupos de células normalmente se comunican entre sí. enviar señales y cómo se generan. Ser capaces de comprender lo que normalmente controla la función de estas células probablemente nos permitirá hacer incursiones significativas para descubrir la función biológica vital, pero completamente misteriosa, del sueño.

¿La optogenética determina las intervenciones que benefician a las personas en este momento?

Un ejemplo es la restauración visual en la retina. Muchas personas tienen degeneración de los fotorreceptores de la retina y la optogenética proporcionará una forma sencilla de devolver cierta sensibilidad a la luz. También hay intentos de desarrollar la estimulación optogenética del cerebro profundo, por ejemplo, para el tratamiento de la enfermedad de Parkinson.

¿Cuál es el futuro de esta técnica?

Cuando los candidatos postdoctorales me escriben y me dicen: «Me gustaría unirme a su laboratorio para trabajar en optogenética», siempre estoy un poco decepcionado: si se enfoca en una tecnología, será reemplazada, obsoleta o reemplazada. O, si funciona, es trivial. La gran sensación en biología hace 30 años fue la reacción en cadena de la polimerasa. Pero una vez que funcionó, funcionó. Creo que el problema biológico debe ser siempre central.

1. «En los primeros experimentos iluminamos toda la mosca. Ahora podemos controlar las señales ópticas de conducción con mucha mayor precisión en el espacio y el tiempo». 2. Miesenboeck investiga qué tan rápido toman decisiones las moscas de la fruta. «Piensan un poco más y más si les ofrecemos un problema que es difícil de resolver».

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