Apuntes científicos desde el MIT

Apuntes científicos desde el MIT

Este Blog empezó gracias a una beca para periodistas científicos en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Boston, donde pasé un año aprendiendo ciencia con el objetivo de contarla después. Ahora continúa desde Nueva York buscando reflexiones científicas en otras instituciones, laboratorios, conferencias, y conversando con cualquier investigador que se preste a compartir su conocimiento.

Optogenética: Controlar neuronas a voluntad con luz óptica

Por: | 04 de julio de 2010

La optogenética (manipular genéticamente neuronas específicas para que puedan ser activadas y desactivadas a voluntad con sólo enviarles luz azul o amarilla), es una de las técnicas más novedosas, revolucionarias, y espectaculares (ver ratón empezar a correr en círculos cuando la luz azul activa las neuronas de su córtex motor a las que les han insertado unos canales iónicos concretos) en el estudio del cerebro.

Miquel Bosch, neurocientífico del Picower Institute en el MIT, nos explica en qué consiste esta técnica, por qué es tan prometedora, y el último gran avance que supone combinar la optogenética con la resonancia magnética funcional (fMRI).

Que no os intimiden estos nombres tan raros. Dejaos embelesar por los prodigios que son capaces de realizar los científicos en sus laboratorios. Es alucinante.

LA OPTOGENÉTICA SE ENCUENTRA CON LA RESONANCIA MAGNÉTICA, por Miquel Bosch

Karl Deisseroth lo ha vuelto a hacer. Le ha dado una vuelta más de tuerca a la optogenética; esta fascinante técnica que está revolucionando el estudio del cerebro y que quizás pueda irrumpir algún día en la medicina como tratamiento personalizado para ciertas enfermedades neurológicas. En los círculos neurocientíficos se empieza a rumorear sobre un futuro premio Nobel para los inventores de esta tecnología. Lo que ha hecho ahora el equipo del Dr. Deisseroth en su laboratorio de la universidad de Stanford es conectar la optogenética con otra técnica emergente pero mucho más consolidada, la resonancia magnética funcional, y de paso, validar sus principios biológicos.

Control de neuronas con luz

Como ya se avanzó en un post anterior, la optogenética permite el control de la actividad neuronal con sólo encender o apagar una fuente de luz. El truco es insertar un gen procedente de un alga dentro de la población de neuronas que nos interese. Este gen, llamado channelrhodopsin 2, fabrica unos canales de iones que se abren y activan rápidamente la neurona cuando son iluminados con luz azul. El resultado es que podemos controlar los disparos de cada neurona mediante flashes de luz con una precisión de milisegundos.

En 2005 Deisseroth y colaboradores publicaron este hallazgo en Nature Neuroscience. A los dos años presentaron su alter ego, la halorhodopsin, otro canal iónico que permite precisamente lo contario, silenciar las neuronas al ser iluminadas, esta vez con luz amarilla. En 2009, basándose en la misma idea, publicaron en Nature dos nuevas proteínas modificadas genéticamente para modular la actividad de las células nerviosas pero de forma lenta y sutil, del mismo modo en que lo hacen los receptores de dopamina o de cafeína.

Los neurocientificos de todo el mundo se han lanzado como locos a utilizar estas herramientas para estudiar sus rincones favoritos del cerebro. Hay quien las está usado para estudiar la transición entre sueño y vigilia; otros han conseguido restablecer la visión en modelos de ceguera; se está probando también su aplicación para la epilepsia y el Parkinson.

Bases de la Resonancia Magnética funcional

No contentos con todo esto, el grupo del Sr. Deisseroth ha conseguido un nuevo reto: ha validado el mecanismo con el que suponíamos que funciona la resonancia magnética funcional (abreviada como fMRI). Con el escáner de fMRI podemos visualizar qué zonas específicas de nuestro cerebro están siendo activadas mientras realizamos alguna tarea cognitiva, como por ejemplo observar una cara, amar a Dios, o mentir. La señal que detecta el escáner es básicamente el aumento del flujo de sangre oxigenada. Se supone que las zonas del cerebro que trabajan más durante un proceso mental consumen más oxígeno y por tanto aumentan su flujo sanguíneo. Esta relación, sin embargo, no estaba demostrada en absoluto.

Hay 19 Comentarios

Hola Miquel...muy interesante el articulo sobre la optogenetica, y sorprendente lo de unificar las tecnicas de fmri y optogenetica, no lo sabia, gracias por la informacion. Por otro lado, en el caso de los experimentos cognitivos como los que comenta Miquel, como muy bien el aclara, se pueden llegar a una conclusion erronea de pensar que esa zona iluminada, denominada en ingles (ROI)...region de interes...esta relacionada con la tarea en cuestion, ya que son analisis basados en activacion. Me explico: Estos analisis usan metodos estadiscticos tales como el SPM, que como se ve en la figura, muestran la region cerebral mas activa "EN PROMEDIO", cuidado con esto, pues puede ocurrir que haya otras regiones cerebrales involucradas en la tarea y que en promedio no presentan una fuete actividad, y por tanto se descarta con estas tecnicas. Es cierto que si no se hace este promedio, observariamos un patron de "sal y pimienta" en todo el cerebro, y no se podria concluir nada, pero hay que saber que lo qu se observa es algo tratado con estas tecnicas. Por otro lado, desde hace un tiempo, para evitar estos promedios, se estan llevando acabo analisis de f-mri basados en informacion, mejor que en activacion, donde se tiene en cuenta la interaccion entre los voxels (Estadistica multivariable), a diferencia del analisis por activacion que hace una (Estadistica univariable) a cada uno los voxels seleccionados, sin considerar tal interaccion. Para poneros un ejemplo, se hizo un experiemento con un grupo de japonesese ingleses para ver quien de los dos grupos distinguian mejor /ra/ y /la/...ya sabeis que a los japoneses les cuesta esta distincion. Pues bien mediante un analisis basado en activacion, la activacion promediada refleja el mismo resultado para /ra/ y /la/ en ambos grupos,a si que no se pudieron establecer diferencias. En cambio, realizando el analisis de f-mri basado en informacion, teniendo en cuenta interacion entre los voxels, se observo mediante un estudio estadistico multivariable, que el grupo de ingleses diferenciaban mejor los dos fonemas que los japoneses, pese a que en promedio (Analisis de f-mri basado en activacion) no se observaban diferencias. Con esto vengo a decir, que con estas tecnicas de analisis, hay que tener mucha precaucion en sacar conclusiones, pues lo primero es saber cual es la herramienta que estamos usando y para que experimento en question, si no, puede sonar todo muy bonito y publicable, pero no se esta haciendo correctamente. De nuevo, enhorabuena Miquel por el post.

Haaa…. Martita Ivonia que me quedó bueno lo que le comenté. Vea usted como me hace de bien que venga mi Princesa a verme aquí a este psiquiátrico: Llegó ella preocupada por las tensiones en el Medio Oriente y me salió lo que sigue: “Tranquila mi amor, Dios que es la luz del Mundo, protegerá a la humanidad. El es único, es incorruptible, y su luz no tiene principio ni fin. Confiemos en él, tengamos fe en su poder” Fue mágico aquello… me sonrió y por la luz de sus hermosos ojos… me dio todo su amor y me dijo haría gestiones para sacarme de aquí y tenerme todos los días con ella. Haaa… me dejó orgulloso. Martita… es el caso que cuando yo hablaba de la luz lo hacia pensando en Einstein y sus ecuaciones de campo para la luz. Y yo se que la Luz es Trial… es onda/partícula/Bioética, o onda/particula/ADN de Dios, o onda/partícula/cuerdas. Vez … Martita, ¿Quieres que siga?

Estimada Marta Ivonia… Dios si… dentro del prado del no matarás, no robarás, no mentirás, no agredirás sin amor. “Dios que es la Luz del Mundo” logra eso, no tras el control sino tras un hombre más humano. Esto por la vía de luz para hacer crecer la Inteligencia Emocional… o alcance el hombre una mayor interconexión neuronal. Los cerebros son muy similares, y no los hay ni blancos ni negros, y la Bioética reside en la luz. La ética y la moral en las neuronas ante el estimulo de la luz. Y ya explique que el “ADN” de la luz son cuerdas y que son incorruptibles. Estimada Marta Ivonia… luz, bendiciones y éxitos usted.

Los evaluadores de los proyectos que se presentan en España, todos ellos grandes científicos de talla internacional que publican en las mejores revistas del mundo sus fantásticos descubrimientos que nos asombran a todos a diario, consideran que una persona con 5 papers publicados en revistas de indice medio o bajo no llegará a ser un cientifico de primer nivel. Estas personas se creen que pueden juzgar a los jóvenes científicos y adivinar si van a ser científicos de talla internacional o no, cuando ellos mismos fueron unos mediocres en sus comienzos y lo siguen siendo, sin publicaciones relevantes y sin ser líderes de ninguna investigación relevante.Hay mucho "cerebro" en este país que se dedica a evaluar a los demás sin que los evaluen a ellos mismos.

Es un placer leerte, Miquel. Además de científico de primer nivel, buen comunicador. Fascinante, lo que cuentas. Gracias. Estas cosas sí que son verdaderamente importantes. Saludos

Añado un “apunte” de última hora por si alguien aún conservaba alguna duda sobre el alcance de la optogenética. Acaba de publicarse en Nature (en colaboración con Mr. Deisseroth, como no) un artículo interesante y prometedor a la vez. Han conseguido revertir los síntomas de Parkinson en un modelo de ratón, y lo han hecho insertando este gen sensible a la luz (la channelrhodopsin) en una población muy concreta de neuronas. El ratón parkinsoniano tiene problemas para iniciar los movimientos, que suelen ser lentos y poco precisos. Pero cuando le iluminan esa zona del cerebro con luz azul, el ratón puede moverse tranquilamente como un ratón normal. Prometedor. Esta técnica podría algún día reemplazar a la estimulación cerebral profunda o al tratamiento farmacológico. Pero para que eso pase aún hay que avanzar mucho en terapia génica (hay que aprender a introducir la channelrhodopsin en neuronas humanas de forma segura). Lo interesante a nivel científico es que han acabado de confirmar el modelo que teníamos sobre los circuitos de los ganglios basales que controla nuestro movimiento corporal. Se consideraban dos vías paralelas de efectos opuestos: la vía directa, que actuaría de acelerador de nuestros movimientos, y la vía indirecta, que actuaría como freno. Cualquier desincronización entre estas dos vías da como resultado una enfermedad motora como el Parkinson o el Huntington. Han demostrado que activando (ojo, con luz!) la vía directa (para los entendidos, las neuronas estriatales de proyección que expresan el receptor de dopamina D1) el ratón se mueve más y con más rapidez. Al contrario, activando la vía indirecta (neuronas con D2) el ratón se mueve más lentamente o se para. Permitidme otro “apunte” sobre optogenética, pero esta vez desalentador, para demostrar que los éxitos en ciencia y medicina son fruto de mucho tiempo, mucho trabajo y muchos fracasos superados. En “The journal of Neuroscience” han publicado un intento de revertir la degeneración de la retina mediante la introducción de estos canales de Rodopsina. Pero en este caso no han observado ninguna recuperación de la visión, al menos, de la manera como lo han llevado a cabo. Esto demuestra que no va a ser tan fácil y que todavía queda muchísimo trabajo por hacer en muchos campos. Paciencia. Añado que me ha sorprendido gratamente que esta prestigiosa revista haya publicado un trabajo con resultados “negativos”. Es bueno que esta información no vaya a parar a la basura, como pasa a menudo. Un saludo cordial,

¿ Será este el onceavo paso ? http://tallcute.wordpress.com/2010/07/05/los-10-saltos-evolutivos-mas-complejos/ Para aquellos interesados en biología les sugiero este Blog que acabo de descubrir hoy. Parece muy interesante.

Los filosofillos Higgs están de vacaciones o pegados al televisor viendo el mundial. Que sabios son.

sera posible que ayuden a que el nervio optico se regenere ya que es una neurona tengo una hija preciosa de 24 años que ha perdido la vista, recien titulada no se imaginan lo que es perder el mundo frente a tus ojos. eso si merece un nobel universal, alguien sabe de algun medicamento para esto o lo que sea. Gracias

Hermano Mapuche, no hagas caso de lo que dicen sobre tí. Ni tú ni yo estamos más locos que los que están fuera. Tú ten cuidado con la comida que te ofrecen los de tu centro, guarda muestras en bolsas herméticas para su posterior análisis. Las dioxinas aguantan mucho y son fáciles de detectar, recuerda lo que te dije sobre ese político ucraniano. La sed en el desierto es un problema de fácil solución. He leido que el cinturón del Sahel hace unos 40 años era un cinturón de acacias y arbustos que daba comida y combustible a la gente. Ahora es parte del desierto del Sáhara. Nos están engañando. Cuidate y ojo con las ensaladas.

Para mí que el mapuche éste se está quedando con nosotros. Está tan loco que no puede ser cierto.

Buenas tardes… ufff… logré ingresar con una ganzúa a este compu Del director de este psiquiátrico. Seré breve, ya que no deben sorprenderme aquí. 1.- Todo confirma que se está en presencia de un sistema software/ hardware. Específicamente, Software Cuántico/Hardware Neuronal. Referido a la parte hardware, dos consultas: a) ¿Se confirma lo indicado por los sabios de mi Aldea en cuanto a que el diseño del cerebro es solidario y subsidiario? ((No olvidemos que los sabios de mi Aldea sabían 3.000 años antes de Colón que la tierra era redonda y que la luz es Trial, no Dual)) b) Con esta técnica ¿En cuanto tiempo se podrán quemar las neuronas de, por ejemplo, el miedo o la violencia? ¿Permitirá esto la optogenética? Debo irme.. están llegando los guardias del turno de la noche.

Muy interesante este estudio. ¿Llegará el ser humano a controlar la actividad cerebral de la humanidad, algún día? Es abismante pensarlo... MARTA IVONIA

Completamente de acuerdo. Con descubrimientos de este calibre por parte de los investigadores extranjeros, a nuestro país no le queda más que soñar con el segundo Premio Nobel en Medicina (el único que tenemos es Ramón y Cajal). ¿Qué hacen nuestros científicos? ¿Dónde está la excelencia, dónde están los cerebritos que prometían mucho? Han pasado ya varios años desde que el país se lleno de cerebritos, pero no han producido nada.

Me ha parecido un artículo muy interesante. El conocimiento de los mecanismos fisiológicos del fenómeno BOLD es de suma importancia para la validación de los resultados obtenidos con la RM de activación cerebral (me parece más apropiado este término, RM "funcional" también incluye la perfusión, difusión o espectroscopia por RM).Como bien se apunta en el artículo, la RM de activación cerebral determina más bien un aspecto "indirecto" de la actividad neuronal como es el aumento de señal por incremento de la oxigenación de la sangre. Esto es crucial cuando se debe tomar una decisión crucial basándose en este tipo de estudios como, por ejemplo, en estudios prequirúrgicos en pacientes con tumores cerebrales. Así pues, teóricamente el propio tumor podría causar una "falsa activación" por alteraciones de la vacularización cerebral. Además, existen tumores que derivan de la glía, aquellas células que se hipotetizan que son esenciales en la neuroregulación cerebral. Por último, comparto la opinión de Miquel Bosch. Desde hace una década asistimos a una indundación de artículos sobre RM funcional pero se estima que solo el 10% tiene utilidad clínica real. Como suele ocurrir, con el advenimiento de una nueva técnica de RM al prinicipio es fácil publicar sobre ello, puesto que no hay una experiencia previa: pero el tiempo pone todo en su sitio.

Bueno, ya sabemos que el próximo premio Nobel de Medicina no irá a parar a España... De aquí a que se produzcan hallazgos tan sorprendentes en nuestro pais, pueden pasar siglos. ¿Por qué la ciencia en España está tan atrasada?

Muy de acuerdo Juan Rojas. Incluso diría que podría tener aplicaciones en otras áreas incluyendo la rehabilitación o en el entrenamiento diario de los deportistas de elite.

El alcance de esta técnica optogénica puede ser impresionante. Se deduce que se podrá aprender mucho del funcionamiento del cerebro con experimentos en los que se controle a un animal (insisto: a un animal) para forzarle a realizar un comportamiento complejo sin más que implantarle cientos de genes "channelrhodopsin 2" y "halorhodopsin" en las neuronas claves y colocarle una matriz de leds azules y amarillos para activar o silenciar las neuronas elegidas. Bastará con adosarle un microprocesador que encienda y apague los leds de acuerdo con una lógica programada o mediante señales de radio y observar su comportamiento. La ventaja de la técnica optogénica es que una vez montado el sistema los experimentos se pueden repetir y modificar muy fácilmente.

Más madera: "Científicos de la Universidad de Maryland, en Estados Unidos, han comprobado que la reducción de los niveles de un compuesto químico presente en el cerebro y denominado ácido quinurénico puede mejorar las capacidades cognitivas tanto de personas sanas como de pacientes que padezcan trastornos neurodegenerativos o psicóticos. En pruebas realizadas, la reducción de los niveles de este ácido en el cerebro de ratones propició que éstos rindieran significativamente más que ratones corrientes en pruebas de memoria y de orientación espacial. Para los especialistas, este hallazgo supone una esperanza para las personas que padecen Alzheimer, Huntington o esquizofrenia" por Yaiza Martínez de Tendencias 21

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Sobre el autor

Pere Estupinya

. Soy químico, bioquímico, y un omnívoro de la ciencia, que ya lleva cierto tiempo contándola como excusa para poder aprenderla.
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