Neuroimagen (IV): Jugando con la luz

El uso de la luz mezclado con la ingeniería genética abre un fascinante mundo de posibilidades en el campo de la Neuroimagen, tantas como las técnicas basadas en electrodos intracranelaes y resonancia mágnética. Incluye técnicas como la Proteína Verde Fluorescente GFP, la Optogenética o las neuronas que emiten luz cuando se excitan. Por otro lado, una pléyade de dispositivos y técnicas se acercan cada día más en su afán de comprender nuestros pensamientos como es el caso del reconocimiento facial, descubrir las emociones por los gestos o por el tono de la voz.

Ingeniería genética

Como su nombre indica, además de una rama de la ciencia, es una ingeniería cuyo objetivo es manipular el material genético. El conocimiento genético está permitiendo la secuenciación de diversos genomas, entre ellos el del hombre. La ingeniería genética está creando múltiples organismos modificados que resultan herramientas sorprendentes en manos de los científicos. Descifrados algunos de lo mecanismos básicos de la genética, los científicos están empezando a modificar organismos como si fueran juegos de Lego, usando para ello herramientas biológicas que permiten cortar y pegar trabajando con nuestros amigos los virus y bacterias.

La modificación puede hacerse en el genoma y después producir un individuo en el que todas sus células tienen el gen cambiado. Pero también puede hacerse en un animal vivo. Para ello se utiliza un vector, un agente que introduce el nuevo gen en determinadas células. Es el caso de los virus, organismos especializados en cambiar el código genético de las células que infectan. Modificamos un virus para quitarle su acción patógena y añadimos el gen de nuestro interés. Luego infectamos con el virus las células en las que deseamos realizar la sustitución genética.

Proteína Verde Fluorescente GFP

Una medusa emite luz a causa de una proteína llamada GFP proteína verde fluorescente. Martin Chalfie, Osamu Shimomura y Roger Y. Tsien recibieron el Premio Nobel de Química en 2008 por sus trabajos con GPF. El gen que produce GPF está aislado y se puede incorporar al ADN de otras células que se vuelven fluorescentes y pueden ser cómodamente observadas por un microscopio óptico. Nuevas proteínas fluorescentes se han aislado y con una combinación de ellas se pueden lograr múltiple colores. Es lo que se ha hecho con Brainbow que saltó a la luz en 2007.

Optogenética

En 1979, 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 usan electrodos demasiado rudimentarios que estimulan un área grande e imprecisa. y las drogas son lentas e inespecíficas. La solución parece estar en la luz.

La optogenética es una mezcla de óptica y genética. Basada en el estudio de algas el sistema parece tan simple como brillante. Una única proteína codificada por un único gen tiene dos partes cada una de las cuales realiza una función. Una parte de la proteína responde a la luz. La otra es una canal iónico de membrana como los existentes en todas las neuronas y que son responsables del impulso eléctrico o potencial de acción. Cuando la proteína recibe luz, el canal se abre y la neurona se dispara. Insertando este gen en el ADN de la neurona, la controlamos a voluntad con destellos luminosos y una precisión de milisegundo. Necesitamos también tecnología de emisión de luz profunda para llegar al fondo del cerebro de mamíferos en movimiento libre.

Podemos infectar un determinado tipo de neurona sin afectar al resto, estableciendo así un control mas selectivo. También están empezando a usarse una mezcla de electrodos y fibra óptica para registrar la actividad de las neuronas. De este modo puede registrarse la actividad eléctrica de una área a la vez que la estamos estimulando ópticamente.

A medida que esta técnica esté disponible nuevas aplicaciones irán surgiendo. Una de ellas es la validación de los métodos actuales. El fMRI, por ejemplo, es un conjunto de medidas con un análisis complejo. Ahora en combinación con la optogenética se puede hacer una validación cruzada de ambas técnicas. Los estudios en enfermedades como Parkinson, esquizofrenia autismo están empezando.

Neuronas que emiten luz cuando se excitan

Usando un gen de un microorganismo del Mar Muerto, se produce una proteína que, cuando se expone a las señales eléctricas de la neurona, emite luz, permitiendo a los científicos rastrear la propagación de las señales dentro de la célula.

Esto permite reemplazar la clásica técnica de implantación de microelectrodos para registrar el comportamiento de la neurona (del mismo modo que la optogenética reemplaza los microelectrodos para excitar a la neurona). Los microelectrodos registran el comportamiento en un punto de la neurona mientras que ahora se puede seguir todo el camino de la señal eléctrica dentro de la neurona (y en las demás neuronas). Además, los microelectrodos causan una muerte rápida de la neurona que ahora puede observarse por más tiempo.

El uso de electrodos para excitar y para medir las corrientes eléctricas en la neurona tiene ahora un competidor: la luz. A partir de ahora se puede excitar a la neurona (con optogenética) y registrar su comportamiento con la nueva técnica.

Ejemplo de control optogenético.

El objetivo es estimular o inhibir individualmente cada una de sus neuronas mientras el gusano nada en libertad para lo que no se pueden usar los tradicionales electrodos implantados.

Las neuronas del gusano Caenorhabditis elegans modificado expresan las proteínas channelrhodopsin-2 y halorhodopsin. Estas proteínas responden a la luz convirtiendo al gusano en un biorrobot. La neurona se excita si recibe un pulso de luz azul y se inhibe con un pulso de luz verde.

El entorno es aún más sofisticado ya que el gusano está en libertad, es muy pequeño y sus movimientos son muy rápidos. Los investigadores usan un software llamado CoLBeRT (Controlling Locomotion and Behavior in Real Time). Una cámara registra la posición del gusano a un ritmo de 50 cuadros por segundo y con una precisión de 30 micrones es capaz de estimar la posición de cada una de las 302 neuronas y estimularlas individualmente. Al estimular las neuronas frontales el animal retrocede y al hacerlo con las posteriores avanza. El equipo es capaz incluso de hacer que el gusano ponga huevos (ver vídeo, frame 8.828)

Otros métodos de control de la mente

Lejos de lo que se considera Neuroimagen, existe una multitud de nuevos sensores que permiten comprender lo que pensamos. Leer la mente es algo que todos hacemos a diario con las personas que nos rodean. Hacemos supuestos de lo que piensan y acertamos en buena medida. El lenguaje no verbal es un buen indicador de lo que pasa por la cabeza de nuestro interlocutor: sus gestos, su cara, sus movimientos, sus ojos. Por supuesto tenemos una buena idea si esa persona usa el lenguaje, nos habla y nos dice lo que piensa.

Todas estas señales que los humanos percibimos y analizamos están comenzando a ser usadas por los ordenadores. Dentro de poco podrán saber nuestro estado de ánimo por la expresión de nuestra cara o el tono de nuestra voz y podrán saber qué nos interesa registrando el movimiento de nuestros ojos. Y podremos controlarlos con la mente.

Publicado originalmente en ALT1040