Un Brindis Por La Optogenetica

Artículo de Megkirch

Traducción por Elena Blanco-Suarez

“Quizás suene inverosímil pero podría ocurrir que los biólogos moleculares fueran capaces de hacer que un determinado tipo celular fuese sensible a la luz”

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Feliz décimo aniversario, ontogenética!

Estas palabras, publicadas en 1999 por Francis Crick [1] (co-descubridor de la estructura de doble hélice del ADN y más tarde neurocientífico) fueron increíblemente proféticas. Sí que parecía inverosímil, pero tan solo seis años después, se publicaba el primer artículo que mostraba neuronas de mamífero activadas eficientemente con luz. Aquí estamos, 10 años después, y la optogenética – opto por “luz” y genética refiriéndose al hecho de que las neuronas son sensibles a la luz gracias al control de la expresión de sus genes – se ha convertido rápidamente en una de las técnicas más utilizadas en neurociencia. En honor a su décimo aniversario, celebremos la optogenética como si no fuera solo una mera herramienta científica sino un ser querido celebrando sus diez años de matrimonio. ¡Levantemos nuestras copas para brindar y recordar cómo comenzó todo!

Pero primero, ¿por qué celebrarlo? ¿Por qué es la optogenética una herramienta tan poderosa que merece un aniversario de celebración? Imagina que eres neurocientífico y quieres determinar si un grupo de neuronas es importante para algo como la memoria o la atención. Para hacer eso, necesitarías inactivar ese grupo de neuronas y observar el comportamiento que se altera para poder establecer que esas neuronas son necesarias para ese comportamiento. Según la importancia de la afirmación que quieras hacer, puede que incluso quieras demostrar la suficiencia, que la activación de esas neuronas produce ese comportamiento. Esto requeriría manipular la actividad de esas neuronas específicamente y de manera precisa. La manipulación ha de ser específica si quieres establecer que solo esas neuronas son importantes en ese comportamiento, y tiene que ser precisa en una escala de milisegundos que imite la actividad real de las neuronas ya que de lo contrario te arriesgas a alterar el sistema completo. Desafortunadamente, si quisieras hacer esos experimentos hace más de diez años, no hubiera sido posible.

Lo que nos sitúa al comienzo de nuestra presentación de aniversario, con su origen en el año 2000, donde vemos a los estudiantes de Stanford, Ed Boyden y Karl Deisseroth. Muchos neurocientíficos intentaban averiguar cómo activar neuronas de forma específica y precisa, pero la mayoría de las ideas incluían campos magnéticos o eléctricos que era imposibles de restringir a una neurona individualmente. Aunque solo estudiantes de doctorado por aquel entonces, Boyden y Deisseroth tuvieron la idea de que la luz podría ser más precisa, si hubiera alguna manera de hacer a las neuronas sensibles a ella…

Ed&Karl

¡Gracias por vuestro invento, Ed and Karl!

La solución comenzó a emerger cuando Boyden se tropezó con un campo completo de literatura sobre opsinas microbianas, las cuales son proteínas en organismos unicelulares, tales como las algas, que convierten la luz en energía eléctrica. La mayoría de los organismos donde se encuentran estas proteínas habitan en ambientes extremadamente salados, pero por primera vez en 1999, una proteína en particular fue descubierta en las que son unas condiciones muy similares a las que encontramos en el cerebro [2]. Unos años después en 2003, un grupo en Alemania publicó un artículo en el que utilizaban con éxito una proteína sensible a la luz y procedente de algas verdes, la canalrodopsina (del inglés, channelrhodopsin) en células renales de mamífero en cultivo [3]. Estos descubrimientos indicaban que quizás estas proteínas serian viables a la hora de expresarlas en neuronas.

Para apreciar plenamente la utilidad de la activación de neuronas por luz y cómo se puede llegar a lograr, es necesario comprender que la actividad que ocurre en el cerebro toma la forma de señales eléctricas. A nivel de una neurona individual, la unidad de actividad más básica es el potencial de acción, o coloquialmente, un “pico”. Un pico ocurre cuando los canales en la membrana de la neurona se abren y propician una corriente de iones de sodio cargados positivamente al interior de la neurona. Esta rápida corriente entrante y la corriente saliente que la sigue producida por la rápida liberación al exterior desde la célula de iones potasio cargados positivamente son las responsables a la hora de producir la característica forma de “pico” (Fig. 1). A partir de aquí, la señal eléctrica viaja por el axón de la neurona e inicia en última instancia la liberación de señales químicas. Cuando estos neurotransmisores contactan con la siguiente neurona, es la actividad eléctrica la que se ve alterada, continuando así el proceso.

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Fig. 1: La característica forma de “pico” de un potencial de acción es el resultado de la corriente que entra en la neurona en forma de iones de sodio cargados positivamente seguida de la salida de corriente de iones de potasio cargados positivamente.

La canalrodopsina-2 (ChR2) es un canal en la membrana similar a los canales que controlan los picos en las neuronas con la diferencia de que la luz en la longitud de onda azul es la que lo abre, permitiendo que cualquier ion cargado positivamente lo atraviese. Por tanto, cuando la luz azul es proyectada sobre las neuronas que contienen ChR2, los iones de sodio (cargados positivamente) son capaces de entrar en la neurona antes de que otros canales en su membrana se abran. Esta carga añadida en el interior de la célula abre las compuertas para que incluso más iones de sodio puedan entrar y, ¡voilà! Tienes neuronas activas produciendo picos a tu gusto (Fig. 2).

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Fig. 2: Cuando luz azul ilumina ChR2, este se abre, permitiendo que los iones cargados positivamente atraviesen la membrana celular. Esto “activa” la neurona produciendo muchos potenciales de acción.

Pero de vuelta en Palo Alto en 2003, esto era meramente un escenario ideal que aún tenía que lograrse. Boyden y Deisseroth consiguieron ChR2 del grupo de Alemania y comenzaron a perfeccionar la forma de llevar la proteína a las neuronas en una placa (una bonita descripción de cómo funciona esto se puede ver en otro artículo de NeuWrite). Resultó que tuvieron una suerte increíble pues ChR2 era en muchos aspectos la construcción perfecta que necesitaban. Un solo gen era suficiente para hacer que la proteína fuera totalmente funcional, se expresaba en neuronas de mamíferos, y funcionaba en una escala temporal lo suficientemente rápida como para ser compatible con la comunicación neuronal: todo junto fue un impresionante golpe de suerte. En un clásico caso de obsesión febril por parte del estudiante, Boyden fue al laboratorio a la 1 de la mañana en 2004 para, por primera vez, grabar una neurona que expresaba ChR2 y era activada fácilmente mediante pulsos de luz azul. Un año más tarde, publicaron su primer artículo en Nature Neuroscience [4]consumando por lo tanto el sagrado sacramento académico que ahora celebramos 10 años después.

En la última década, la optogenética ha madurado y se ha convertido en una herramienta ubicua, poderosa, destacablemente fácil de usar para todo neurocientífico. Los años que siguieron al gran artículo, Boyden y Deisseroth – recién estrenados como joven profesorado a veces en colaboración y otras en competición – extendieron las herramientas de la optogenética añadiendo proteínas, que al contrario que ChR2, inactivasen neuronas cuando se las excitaba con luz de una determinada longitud de onda. Hoy en día, existen muchas opsinas diferentes optimizadas genéticamente que están al alcance (muchas de ellas pueden verse aquí), algunas de las cuales pueden hacer cosas que ni Crick pensó que serían posibles; como por ejemplo, existe un set de opsinas “paso-función” (del inglés, step-function) que solo necesitan un breve pulso de luz para “encender o apagar” la neurona por un periodo de tiempo prolongado, esperando por otro pulso de luz que las devuelva a su estado normal.

Pero podría decirse que el avance más importante en el uso de las herramientas optogenéticas ha sido su aplicación en subgrupos de neuronas. Recuerda nuestro hipotético e ideal escenario en el que somos capaces de activar de manera fiable un grupo específico de neuronas para determinar su función. La optogenética puede utilizarse para encender o apagar un área cerebral e identificar su papel en el comportamiento, pero también para enfocarse en tipos específicos de neuronas en una misma región cerebral. Esto permitiría determinar el papel de cómo esas células en esa región cerebral procesan la información así como su contribución especifica al comportamiento, puesto que diferentes tipos celulares pueden jugar papeles funcionales muy diferentes. Un ejemplo de cómo conseguir la especificidad celular es con ratones que han sido genéticamente modificados para expresar una proteína especial llamada cre en solo las células de interés. Un gen que codifique una proteína optogenética, tal como ChR2, puede ser dependiente de cre, de manera que cuando se introduce en el ratón, ChR2 solo se expresará en las células de interés, permitiendo selectivamente encenderlas con la luz. De esta manera, la optogenética ha permitido a los neurocientíficos modernos alcanzar niveles de especificidad que eran simplemente imposibles hace una década. Increíblemente, esta manipulación celular especifica también puede lograrse in vivo – en animales despiertos y activos. En 2007, neurocientíficos fueron capaces de expresar opsinas en tipos celulares que les interesaban en ratones vivos, activando e inactivándolos y observando su papel en comportamiento natural.

En este vídeo, ChR2 esta expresada en la corteza motora del ratón, la parte del cerebro que controla el movimiento. Nótese que cuando la luz azul se enciende, ¡el ratón comienza a correr!

No solo es genial, la habilidad para encender y apagar células específicas con luz alberga un gran potencial en el avance del estudio del cerebro. De muchas formas, ya ha contribuido. Por ejemplo, ha descifrado el circuito de los mecanismos que determinan nuestros sistemas sensoriales primarios como la visión, el oído, etc. Así como el control del movimiento, el sueño y los ritmos circadianos, comportamiento social, y la memoria, por enumerar unos pocos [5]. Cabe destacar que también hemos aprendido mucho sobre los variados trastornos cerebrales a nivel celular. Por ejemplo, la optogenética en ratones despiertos se utilizó para manipular dos mecanismos opuestos en el cerebro que están implicados en el control motor, resultando en un comportamiento parecido al Parkinson atenuado o incrementado. Sorprendentemente, la activación selectiva de una de las rutas mejoraba los síntomas considerablemente en el ratón modelo de Parkinson [6]. Recientemente en la conferencia anual de la Society for Neuroscience (Sociedad de Neurociencia), se expuso un poster que demostraba la activación optogenética selectiva de un tipo específico celular en la corteza frontal del cerebro que eliminaba los déficits sociales en un ratón modelo de autismo [7]. Hay que tener en cuenta que la optogenética no está ni por asomo cerca de ser utilizada de manera segura en humanos para intervenciones clínicas directas (aunque se puede decir que la aplicación más prometedora es la de mejorar la visión alterada en la retina humana [8]). Sin embargo, la optogenética nos está desvelando mucho en cuanto a cómo funciona el cerebro en un estado saludable y sus alteraciones en trastornos de forma que puedan llegar a desarrollarse tratamientos.

La relación entre neurocientíficos y las proteínas sensibles a la luz ha sido algo bello que contemplar. Es increíble pensar que ya han pasado 10 años, y sin embargo, tantas cosas han cambiado desde que unieron fuerzas por primera vez que parece que toda una vida ha pasado. ¿Quién puede predecir lo que la siguiente década depara? ¿Opsinas mejoradas e incluso más sofisticadas? ¿La habilidad para visualizar y controlar simultáneamente a gran escala redes cerebrales [9]? ¿Nuevas estrategias para activar neuronas de interés, tales como el ultrasonido? Corren tiempos emocionantes para la neurociencia, ciertamente merecedores de un brindis.

Para saber más, visita este artículo del New Yorker , esta entrevista en Inquiring Minds con Ed Boyden, y la TED Talk de Ed Boyden.

Referencias:

  1. Crick, F. (1999). The impact of molecular biology on neuroscience. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences354(1392), 2021–2025. http://doi.org/10.1098/rstb.1999.0541
  2. Okuno et al. (1999). Chloride concentration dependency of the electrogenic activity of halorhodopsin. Biochemistry, 38, 5422-29.
  3. Nagel et al. (2003). Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. PNAS, 100,13940-45.
  4. Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., & Deisseroth, K. (2005). Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci8(9), 1263–1268. http://doi.org/10.1038/nn1525
  5. Deisseroth, K. (2015). Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nat Neurosci18(9), 1213–1225.
  6. Kravitz, A. V., Freeze, B. S., Parker, P. R. L., Kay, K., Thwin, M. T., Deisseroth, K., & Kreitzer, A. C. (2010). Regulation of parkinsonian motor behaviors by optogenetic control of basal ganglia circuitry. Nature466(7306), 622–626. http://doi.org/10.1038/nature09159
  7. Selimbeyoglu, C. K., et al. (2015). Optogenetic rescue of impaired social behavior phenotype in autism[Abstract]. Society for Neuroscience Annual Meeting. Retrieved from http://www.abstractsonline.com/Plan/SSResults.aspx
  8. Chow, B. Y., & Boyden, E. S. (2013). Optogenetics and Translational Medicine. Science Translational Medicine5(177), 177ps5–177ps5.http://doi.org/10.1126/scitranslmed.3003101
  9. Boyden, E. S. (2015). Optogenetics and the future of neuroscience. Nat Neurosci18(9), 1200–1201.

Other general references:

Adamantidis, A., Arber, S., Bains, J. S., Bamberg, E., Bonci, A., Buzsaki, G., … Wilson, R. I. (2015). Optogenetics: 10 years after ChR2 in neurons[mdash]views from the community. Nat Neurosci18(9), 1202–1212.

Boyden, E. S. (2011, July 1). The Birth of Optogenetics. The Scientist. Retrieved from http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/30756/title/The-Birth-of-Optogenetics/

Boyden, E. S. (2011). A history of optogenetics: the development of tools for controlling brain circuits with light. F1000 Biology Reports3, 11.http://doi.org/10.3410/B3-11

 

Image sources:

Title image: http://mcgovern.mit.edu/news/wp-content/uploads/2012/10/optosilenceLR2.png

Toast: http://blog.weddingcompass.com/wp-content/uploads/2012/11/Michael-Toasting-.jpg

Karl and Ed: http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=57936

Figure 1: http://psychlopedia.wikispaces.com/file/view/0199210896.action-potential.1.jpg/324833618/0199210896.action-potential.1.jpg

Figure 2: https://knowingneurons.files.wordpress.com/2013/02/chr2_470.jpg?w=610

Invitation: http://rlv.zcache.com/10_year_anniversary_party_invitations-r12490dbedf2946a58001f20f5a2782c6_zk9c4_324.jpg?rlvnet=1

 

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