Desenredando el cableado de la cabeza humana

C Garau, Universitat de les Illes Balears

Es una verdad ampliamente reconocida que el cerebro es el órgano más complejo del cuerpo humano. Por ello para hablar de él solemos recurrir a simplificaciones y centrarnos en las partes que lo componen: el hipocampo, el cerebelo, la corteza, etc. Pero esas simplificaciones no son del todo exactas. Para empezar, el cerebro no funciona como cajones estancos, restringiendo los recuerdos y la memoria al “cajón” del hipocampo, ni todo lo relacionado con la ingesta al hipotálamo.

De hecho, si lo pensamos a fondo, cuando un animal tiene hambre (apetito) también tiene que recordar (memoria) dónde había comida para encontrarla eficientemente y no comprometer su supervivencia. Todo está, por tanto, interconectado. Las distintas partes del cerebro necesitan comunicarse constantemente entre ellas para que este órgano cumpla sus funciones.

Las neuronas tampoco trabajan individualmente: la transmisión de información es su razón de ser. Continuamente, estas células reciben información mediante las dendritas, y la transmiten a otras a través de los axones.

Estos axones, que pueden ser muy largos, funcionan como cables que conectan diferentes regiones cerebrales, dando lugar a lo que llamamos circuitos neuronales. A través de este cableado se llevan a cabo las funciones del sistema nervioso.

Desenredar los cables con luz

Si el cerebro es complejo, su método de estudio requiere la misma complejidad. Comprender el funcionamiento de los circuitos neuronales ayuda a entender cómo actúa el cerebro, y cuándo falla algo. Para lograrlo, recientemente se han creado técnicas refinadas destinadas a estudiarlos, entre ellas la optogenética.

Desarrollada por los investigadores Karl Deisseroth, Ed Boyden y Gero Miesenböck, la optogenética es considerada un paso adelante tan importante que no sería de extrañar que fueran laureados, más pronto que tarde, con un premio Nobel.

Conceptualmente elegante, y técnicamente más sencilla de lo que a priori pueda parecer, consiste en utilizar unas proteínas (opsinas) capaces de reaccionar ante una luz de cierta frecuencia. Eso permite activar o inhibir las células concretas en las que se expresan usando simplemente un haz de luz.

Cuando se aplica al cerebro, esta técnica, que se mueve entre la ingeniería genética y la física óptica, nos permite activar o silenciar grupos específicos de neuronas. Es decir, adquirimos un control preciso e inmediato que otras técnicas empleadas hasta el momento no permitían. De esta manera conseguimos separar y discriminar de modo minucioso el revoltijo de neuronas dentro de cada circuito. Dicho de otro modo, desenredar los cables y probar qué hace cada uno.

Entre otras cosas, gracias a la optogenética hemos podido comprender mejor el funcionamiento del sueño, destacando el trabajo que el neurocientífico español Luis de Lecea realiza en su laboratorio de Stanford. También se ha empleado para investigar procesos de toma de decisiones, o profundizar en la formación de recuerdos. Además de entender los mecanismos de enfermedades como la epilepsia o la enfermedad de Párkinson.

Fotometría de fibra óptica

Otra técnica para el estudio de circuitos neuronales de la que muchos somos fans acérrimos es la fotometría de fibra óptica. Técnicamente algo más compleja, permite registrar señales de actividad neuronal en vivo.

¿Cómo? Cada vez que una neurona se activa, se produce un aumento de calcio en su interior. Si conseguimos medir estas variaciones de calcio dentro de las neuronas podemos relacionar la actividad neuronal de cada población concreta con una determinada función. Para esto se emplean indicadores de calcio llamados GCaMP que emiten luz fluorescente proporcional a estos cambios de calcio y que es captada por fibras ópticas.

Aplicando esta técnica es posible visualizar la actividad de poblaciones neuronales especificadas genéticamente, con una alta resolución temporal (es decir, casi a tiempo real), y durante tiempos mayores a los de técnicas como registros electrofisiológicos convencionales.

Al identificar los cables concretos que se activan, la fotometría está ayudando a realizar grandes avances en la comprensión del funcionamiento del cerebro. Entre otras cosas, a aclarar los mecanismos neuronales detrás del circuito de recompensa cerebral ayudará a entender problemas como la adicción.

Del mismo modo, usar esta técnica para comprender los circuitos neuronales que controlan el procesamiento del dolor permitirá avanzar en la búsqueda de nuevos analgésicos.

También ayuda a comprender mejor los mecanismos detrás de los efectos de terapias como la Estimulación cerebral profunda (DBS, por sus siglas en inglés) para aliviar la depresión, un problema médico social que afecta a millones de personas.

Entender comportamientos fundamentales con quimiogenética

Otro método a destacar sería el de la quimogenética, que con gran precisión permite estudiar la función de neuronas específicas dentro de un circuito. En este caso no se emplea luz, sino un fármaco o ligando inerte que activa o inhibe un grupo de receptores llamados DREADDs. Al igual que ocurre con la optogenética o la fotometría, esta técnica es extremadamente precisa.

Utilizando estas técnicas aquí mencionadas, me gustaría destacar el trabajo que el neurocientífico David Anderson está realizando en CalTech para comprender la neurobiología de la emoción, llegando a revolucionar lo que sabemos sobre el miedo, la agresión animal y el apareamiento. Estudiar los circuitos que gobiernan comportamientos como la agresividad puede tener repercusiones importantes en nuestra sociedad.

Sin duda, todas estas técnicas (optogenética, fotometría y quimiogenética) allanan el camino hacia el principal objetivo de la neurociencia: entender el modo en el que la actividad de nuestras neuronas determina nuestro comportamiento y funcionalidad, y cómo sus fallos dan lugar a patologías. Un objetivo que solo se consigue si desenredamos los cables de los circuitos neuronales, identificamos su función uno a uno, y podemos repararlo de un modo preciso cuando alguno se cortocircuite.

C Garau, Investigación en Neurociencias – IUNICS (Institut Universitari d’Investigació en Ciències de la Salut), Universitat de les Illes Balears. Publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

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