Pensándolo bien...

El control de la actividad neuronal es una vieja pretensión del ser humano. La Ciencia se viene ocupando de ello desde tiempo inveterado. El deseo de controlar la actividad neuronal proviene de la necesidad de comprender mejor el cerebro humano, y potencialmente tratar una amplia gama de condiciones neurológicas. Nuestro cerebro es increíblemente complejo y aún no lo entendemos completamente, ni mucho menos. Controlar la actividad neuronal nos permite estudiar cómo se propagan las señales a través de las redes neuronales, cómo se procesa la información, y cómo se generan pensamientos, emociones y comportamientos. Este conocimiento podría tener aplicaciones en muchas áreas, desde la psicología hasta la inteligencia artificial.

El tratamiento de las enfermedades neurológicas como el Parkinson, la epilepsia, la depresión, y la esquizofrenia, está relacionado con patrones anormales de actividad neuronal. Si podemos controlar la actividad neuronal, podríamos ser capaces de aliviar los síntomas de estas enfermedades o incluso curarlas. La optogenética, por ejemplo, ya se está investigando como una posible terapia para enfermedades como la depresión y el Parkinson.

Controlar la actividad neuronal nos permite realizar experimentos que podrían no ser posibles de otra manera. Por ejemplo, podríamos "apagar" una parte del cerebro para ver qué funciones se ven afectadas, o podríamos estimular una red neuronal para ver cómo responde.

Hoy día dados los avances logrados con la técnica, la Interfaz cerebro-computadora permite entreverse apropiada para el control de la actividad neuronal, lo que podría tener aplicaciones en medicina (por ejemplo, permitiendo a las personas con parálisis controlar prótesis robóticas con su mente) o en actividades de entretenimiento (videojuegos controlados por la mente), y muchos otros campos.

El número exacto de neuronas en el cerebro humano puede variar entre individuos, pero se estima que hay alrededor de 86 mil millones de neuronas. Esta estimación proviene de un estudio realizado por la neurocientífica brasileña Suzana Herculano-Houzel y su equipo. La mayoría de estas neuronas se encuentran en el cerebro, que es la parte más grande y compleja del sistema nervioso humano. El cerebro se divide en varias regiones, cada una con funciones y estructuras especializadas. Algunas de las regiones con la mayor cantidad de neuronas incluyen la corteza cerebral, que se encarga de las funciones de pensamiento de alto nivel, y el cerebelo, que se encarga de la coordinación de los movimientos y el equilibrio. Es importante recordar que las neuronas no son las únicas células en el cerebro. También hay células llamadas células gliales, que proporcionan soporte y nutrición a las neuronas, entre otras funciones. Se estima que hay al menos tantas células gliales en el cerebro como neuronas, y posiblemente muchas más. Finalmente, aunque el número de neuronas es impresionante, lo que realmente hace que el cerebro humano sea tan poderoso y flexible es la increíble red de conexiones entre estas neuronas. Cada neurona puede estar conectada a miles de otras neuronas, formando una red compleja que nos permite pensar, sentir, percibir y actuar de la manera que lo hacemos.

Estas neuronas se comunican entre sí gracias al proceso denominado transmisión sináptica. Ocurre en las conexiones entre neuronas, sinapsis y consiste en un Inicio de la señal, cuando una neurona genera un impulso eléctrico, también conocido como potencial de acción que viaja a lo largo del axón de la neurona hasta llegar a las terminaciones nerviosas, conocidas como terminales presinápticas. Aquí el potencial de acción provoca la apertura de canales de calcio que permite a los iones de calcio entrar en la neurona. Esta entrada de calcio desencadena la liberación de moléculas de neurotransmisores almacenados en vesículas en el espacio entre las neuronas, llamado la hendidura sináptica. Los neurotransmisores liberados se difunden a través de la hendidura sináptica y se unen a los receptores específicos en la membrana de la neurona postsináptica. Esta unión puede provocar que la neurona postsináptica genere su propio potencial de acción, propagando así la señal a lo largo de la cadena de neuronas. Finalmente, después de un corto tiempo, los neurotransmisores se separan de los receptores. Pueden ser degradados por enzimas, recogidos de nuevo por la neurona presináptica en un proceso llamado recaptación, o simplemente se difunden lejos de la sinapsis. Por otro lado, existen mecanismos de modulación de la señal, como la presencia de neuronas inhibitorias que pueden disminuir la probabilidad de que la neurona postsináptica genere un potencial de acción, o neuronas excitadoras que pueden aumentar esa probabilidad. Esta es la base de cómo las señales se transmitidas en el cerebro y a lo largo del sistema nervioso, permitiendo que las diferentes partes del cuerpo se comuniquen entre sí y con el medio ambiente. Cada paso de este proceso es crucial y se regula cuidadosamente para mantener la función normal del sistema nervioso. En suma, en la transmisión sináptica se envían señales eléctricas, potenciales de acción y señales químicas, mediante los denominados neurotransmisores, que se liberan en una neurona y se difunden hacia las demás, provocando una señal en las células diana, que excita, inhibe o modula la actividad celular. El momento en el que se dan estas señales y la fuerza de las mismas son determinantes para que el cerebro procese e interprete la información sensorial, así como en función de ello, adopte decisiones que conforman el comportamiento.

La aportación más reciente en este campo, consiste en utilizar fotones como sustitutos de los neurotransmisores químicos para controlar la actividad neuronal. No se nos escapa la importancia del hecho a la hora de comprender y tratar los trastornos neurológicos, reparar circuitos neuronales dañados e incluso incidir en el aprendizaje y modular el comportamiento. Esta actividad se realiza hasta el presente en base a fármacos y mediante estimulación eléctrica aplicada a zonas del cerebro para activar o inhibir las neuronas.

Emplear la luz para manipular la actividad neuronal, exige una modificación genética de las neuronas para que expresen proteínas y canales iónicos sensibles a la luz y las células diana expresen enzimas específicas. La dificultad que hay que soslayara es la dificultad de la luz para abrirse paso a través del tejido orgánico. Al dispersarse con mucha facilidad, se impone que se aplique a muy corta distancia de las neuronas objetivo. Esto conlleva técnicas invasivas y por ende, intervención externa. Por otro lado la intensidad a emplear conlleva una servidumbre pues puede resultar dañina para las células diana.

La propuesta publicada en Nature Methods, por Kreig y Porta, emplea luciferasas, que son unas enzimas que emiten luz y canales iónicos fotosensibles. Las luciferasas son una clase de enzimas que catalizan reacciones que emiten luz, un proceso conocido como bioluminiscencia. Son producidas por una variedad de organismos, incluyendo algunas bacterias, hongos, invertebrados marinos y terrestres (como las luciérnagas) y algunos peces. El mecanismo general de la bioluminiscencia implica la oxidación de una molécula llamada luciferina en presencia de una luciferasa. Durante esta reacción, la energía se libera en forma de luz. Este proceso es altamente eficiente, con muy poco calor producido como subproducto. La coloración de la luz emitida puede variar de un organismo a otro, dependiendo de las características específicas de las luciferasas y las luciferinas utilizadas, así como de otros factores. En las luciérnagas, por ejemplo, la luz emitida suele ser de color amarillo-verde. Las luciferasas se han convertido en herramientas muy útiles en biología y medicina. Se pueden utilizar para rastrear genes y proteínas, medir los niveles de ciertos metabolitos, investigar la función de las células y los tejidos, y en una variedad de otras aplicaciones. Por ejemplo, una luciferasa de las luciérnagas se utiliza a menudo en experimentos genéticos para indicar si un gen particular ha sido incorporado exitosamente en las células de un organismo. Cuando el gen de la luciferasa se inserta junto al gen de interés, la producción de luz puede ser una señal de que el gen de interés está siendo expresado.

La propuesta es conectar dos neuronas mediante luciferasas y canales iónicos fotosensibles y utilizar los fotones como sustitutos de neurotransmisores químicos para controlar la actividad neuronal. Lo han aplicado al  nemátodo Caenorhabditis elegans, un organismo modelo muy empleado en estudios de procesos biológicos. Del mismo modo que los animales bioluminiscentes usan fotones para comunicarse, el método desarrollado utiliza enzimas sintetizadas para enviar fotones, en lugar de químicos, como transmisores entre neuronas. Modificaron genéticamente los gusanos alterando sus neurotransmisores de tal manera que fuesen insensibles a los estímulos mecánicos. Pretendieron ver si, con el sistema diseñado, se podían revertir estas alteraciones sensoriales. A continuación, sintetizaron las luciferasas y seleccionaron los canales iónicos proteicos sensibles a la luz, denominados canalrodopsinas. Finalmente, desarrollaron un dispositivo que administraba estímulos mecánicos en la punta de la nariz de los gusanos, midiendo la actividad del calcio. Diseñaron un microscopio que actuaba con aprendizaje automático para visualizar los fotones y analizar la bioluminiscencia. En suma, han restaurado una conexión neuronal, suprimido la respuesta del animal a estímulos de dolor y alterado el comportamiento de atracción a la aversión. De esta forma han logrado que los fotones transmitan estados neuronales, incluso conectar neuronas que no lo estaban, posibilitando conexiones alternativas en un circuito defectuosos.´

Los experimentos relatados, han evidenciado que los fotones pueden actuar como neurotransmisores y comunicar las neuronas. Consecuencias son los cambios del comportamiento animal. Desvelan con ello la opción de la luz como soporte de comunicación intercelular. No cabe duda de que es una aportación sustancial pafa entender los mecanismos subyacentes en la función cerebral y desvelar como distintas partes del cerebro se comunican entre sí. Una nueva forma de escanear y describir la actividad cerebral con mejor resolución espacial y temporal. Potencialmente estamos ante una ventana de mucho interés para reparar conexiones neuronales dañadas sin recurrir a métodos de cirugía invasivos.

La luz mensajera abre el control óptico, no invasivo, de la función neuronal, lo que aporta especificidad y mayor precisión. La optogenética, como hemos visto es una metodología que permite manipular y monitorear las actividades de las neuronas en tejidos vivos, e incluso en animales libres de moverse, utilizando luz para controlar proteínas sensibles a la luz, conocidas como opsinas, que se insertan en las neuronas a través de técnicas genéticas. La metodología está establecida: Selección de Opsinas: proteínas sensibles a la luz (opsinas) que se encuentran de forma natural en ciertos tipos de microorganismos, como algas y bacterias. Estas proteínas cambian su forma o actividad en respuesta a la luz, Inserción genética: mediante técnicas de ingeniería genética, por el que se inserta el gen de la opsina en las neuronas que se quieren estudiar, lo que se realiza a menudo utilizando virus que se han modificado para que sean seguros y puedan transportar el gen de la opsina al ADN de la neurona y el  control con luz: Una vez que las neuronas expresan la opsina, se pueden controlar usando luz. Dependiendo del tipo de opsina, la luz puede hacer que las neuronas se activen (disparen) o se inhiban (dejen de disparar). Este control se realiza utilizando un dispositivo de iluminación que puede ser tan pequeño como una fibra óptica, que se implanta en el cerebro en la región de interés.

Es importante destacar que el control de la actividad neuronal plantea importantes cuestiones éticas. Las técnicas como la optogenética requieren la modificación genética de las neuronas, lo que podría tener efectos desconocidos a largo plazo. Además, el control de la actividad neuronal podría potencialmente ser utilizado de maneras perjudiciales o sin el consentimiento adecuado. Por lo tanto, es crucial que esta investigación se realice de manera responsable y ética.