Apuntes científicos desde el MIT

Os presento otro de los temas más candentes en neurociencia, que más interés suscitó en el congreso de la Society for Neuroscience, y que apunta a posible revolución en el estudio y manipulación del cerebro: La activación y desactivación de neuronas específicas mediante luz óptica.

Observad este video de una ratita con un agujero en el cráneo y una bombilla azul iluminando su corteza cerebral:



Tan pronto se enciende la luz azul, la rata empieza a moverse en círculos de manera alocada. En este otro video podéis ver una rata control a la que la luz no le afecta en absoluto.
Esta diferencia se debe a que a la primera, además de colocarle una bombilla en la cabeza, los científicos también han insertado algo más en las neuronas de su cortex motor derecho.

Dejadme que os lo explique desde el principio y un poco a lo bruto (disculpad los neurocientíficos), porque es acoj… sorprendente:

En los años 80 unos investigadores descubrieron que en la membrana celular de ciertas algas verdes había unos canales iónicos que cuando recibían luz azul, se activaban y permitían la entrada de iones cargados positivamente a la célula.

Hace muy poco, otros científicos pensaron que si las neuronas tuvieran estos canales ChR2 de las algas verdes, como las señales eléctricas que recorren las neuronas se forman precisamente por la entrada y salida de iones positivos, quizás podrían activarlas a voluntad utilizando sólo luz azul.
Dicho y hecho. En 2005 Ed Boyden logró transplantar el canal ChR2 a cultivos celulares de neuronas, y estimularlas a distancia con luz a la frecuencia específica del color azul.
Dos años después, Kart Deisseroth de la Universidad de Stanford creó el ratón transgénico que habéis visto en el video anterior. Deisseroth le introdujo el gen que codificaba la ChR2, y ahora es el único mamífero que tiene tales canales de rhodopsina en las membranas de sus neuronas. Cuando sus neuronas motoras del córtex derecho reciben luz azul, los canales se abren, dejan entrar iones positivos, se activan de repente, y el ratón empieza a girar hacia la izquierda.
Si se apaga la luz, sus neuronas vuelven al reposo y el animal se detiene.

Esperad que todavía hay más.
A principios de los 90 otros científicos habían descubierto un microorganismo (la arquea Natronomonas pharaonis) con un canal iónico que hacía lo contrario: al recibir luz amarilla permitía la entrada de iones negativos de cloro y detenía el potencial eléctrico. Ed Boyden pensó que este canal NpHR podía ser utilizado para desactivar neuronas, y en marzo del 2007 en su laboratorio del MIT volvió a crear neuronas que esta vez se silenciaban cuando recibían luz amarilla.
Poco después Kart Deisseroth y Feng Zhang anunciaron que habían inyectado genes en el cerebro de un gusano C. elegans para que expresara el canal NpHR en sus neuronas motoras. Cuando iluminaban al gusano con luz amarilla, los canales dejaban entrar iones negativos en las neuronas, disminuía el voltaje, las neuronas se desactivaban y el gusano detenía su movimiento.
Nuevo éxito, y anuncio de revolución en la neurociencia.

(el punto amarillo de la imagen es sólo una referencia del momento en que los investigadores emitían la luz. Podéis ver más videos del Caenorhabditis elegans en el material suplementario del artículo publicado en Nature)

Si os estáis preguntando para qué sirve todo esto, hay dos respuestas.
Una es para investigar. La posibilidad de activar y desactivar grupos específicos de neuronas a voluntad es una nueva y poderosísima herramienta de investigación para entender el funcionamiento de los circuitos cerebrales implicados en una tarea, y cómo su actividad se relaciona con conductas o capacidades determinadas. En otro artículo de nature se dice “es lo mejor que le ha pasado a la neurociencia en mucho tiempo”.
La segunda respuesta, y es en lo que el grupo de neuroingeniería de Ed Boyden está trabajando , recae en las aplicaciones clínicas de esta metodología: silenciar neuronas que están hiperactivadas como ocurre en el Parkinson y la epilepsia. Actualmente se utilizan electrodos cuya acción es poco específica. Sería ideal sustituirlos por implantes ópticos que hicieran lo mismo con luz amarilla de manera más localizada.

Debo confesar que en el congreso de neurociencia me explicaron que la verdadera exaltación colectiva se produjo el año pasado, ya que los resultados más espectaculares se produjeron durante el 2007. Pero también me dijeron que con esa perspectiva que ofrece el paso del tiempo, las expectativas no habían disminuido, sino todo lo contrario. De repente muchísimos grupos se han puesto a trabajar con esta novedosa tecnología. Sin duda la posibilidad de activar y desactivar células nerviosas concretas va a permitir grandes avances más allá incluso de la neurociencia, y todo apunta que algún Nobel caerá en el futuro sobre la gente que ha empezado esta campo de investigación.

Yo, a partir de ahora, cuando alguien me diga que está haciendo investigación básica sobre los canales iónicos de un microorganismo de nombre irrepetible, o estudiando cómo reaccionan ciertas algas verdes a la luz azul, nunca más me atreveré a poner en duda para qué sirve.

Créditos: los videos de ratitas han sido “tomados prestados” de la web del grupo de Kart Deisseroth en Stanford.

En 1817 el escritor francés Stendhal viajó a Florencia, y absolutamente abrumado por el esplendor artístico de la ciudad, empezó a sentir mareos, desconcierto e incluso desvanecimientos. Años más tarde se describió médicamente el Síndrome de Stendhal como una alteración psicosomática producida tras el contacto directo con una inasimilable cantidad de belleza artística.

Desconozco si se ha descrito algún síndrome parecido relacionado con otras áreas de conocimiento además de la expresión artística. Pero disculpad mi osadía, y permitidme que de forma totalmente desenfadada y sin pretensión alguna, defina el “Stoop syndrome” como un estado de cierto empacho mental, alienación y bloqueo fisiológico que se produce tras intentar asimilar una enorme cantidad de nuevo conocimiento científico.

No debemos confundirlo con el cansancio mental tras un día agotador. El “Stoop syndrome" (o “Síndrome de Stoop”) es más bien un momento de desconexión con la realidad en el que se mezclan de forma caótica frases, conceptos, imágenes, ideas y datos recién aprendidos, que consiguen desbordar tu mente de forma similar a lo que le sucedió a Stendhal.

Puedes imaginarte a ti mismo dentro de un quark danzando con una supercuerda, reconstruyendo el viaje de una molécula de oxígeno por el interior de tu cuerpo, conversando con un parásito hermafrodita sobre su ciclo de vida, analizando si tu propio comportamiento tiene sentido según las leyes de la selección natural, y preguntándote si alguna neurona de tu cerebro sabe que tú existes. Y luego sucumbir.

Beca en el MIT
En contexto: soy una especie de science nerd, una persona por lo demás normal, pero que lleva varios años leyendo, escribiendo, conversando y disfrutando del apasionante mundo de la ciencia. Además, en estos momentos tengo la fortuna de encontrarme en el prestigioso Massachussets Institute of Technology disfrutando durante 9 meses de un programa para periodistas científicos llamado 'Knight Science Journalism Fellowship at MIT ', cuyo objetivo es introducir en nuestras mentes tanto conocimiento científico como quepa. Y claro, para alguien que se embriaga con los nuevos conceptos, reflexiones e ideas que emergen del estudio científico del mundo que nos rodea, el riesgo de padecer el “Stoop Syndrome” es elevado.

La primera ocasión en que noté los síntomas del "Stoop syndrome"fue tras dos días intensos en los que: recibí un seminario en Harvard sobre la naturaleza de la materia y energía oscura del Universo, otro en el MIT sobre las bases neurológicas de la memoria y el aprendizaje, asistí a la presentación seguida de debate con ingenieros del MIT y la NASA del documental “In the shadow of the Moon”, tuve una profunda conversación sobre antropología a partir de la lectura del libro “Guns Germs and Steel” de Jared Diamond, asistí a una sesión fabulosa en la que Eric Lander repasó magistralmente la evolución de la genética en los últimos 50 años, una clase sobre la formación de la Tierra en la que tuve en mis manos uno de los meteoritos más antiguos caídos en el planeta, y otra sobre la composición atmosférica y el cambio climático.

Tras el último evento, una conferencia de Daniel Goleman sobre inteligencia social y neuronas espejo, decidí “desconectar” tomando una cerveza con algunos de los asistentes a la charla. Pero tras 10 minutos escuchando atentamente las explicaciones sobre biología celular y creación de vasos sanguíneos alrededor de tumores que una post-doc italiana del laboratorio de Judah Folkman me ofrecía, se ve que mi mirada empezó a perderse, y cuando la investigadora me preguntó en qué estaba pensando, contesté “en meteoritos, neuronas, glaciaciones, ADN, y en porqué el Universo se expande de forma acelerada”.

No fue grave, y terminé la noche felizmente abrumado, pero tengo miedo de que los ataques se repitan de forma cada vez más frecuente. Días después empecé a sufrir otra crisis tras intentar hacer balance de las charlas y visitas a laboratorios que nos ofrecieron durante la intensa visita de 3 días a la Institución Oceanográfica y Laboratorio de Biología Marina de Woods Hole . En futuras entradas os hablaré de arqueas y otros microorganismos en fondos oceánicos, de las inesperadas aplicaciones de ciertas especies marinas como el prehistórico cangrejo herradura, del estudio de los sedimentos oceánicos y polares para el estudio del clima, y del camuflaje de los pulpos.

Espero que os interese, podamos intercambiar ideas, y de paso me sirva como terapia frente al “Stoop syndrome".