Cualquiera de nuestros movimientos o emociones, cada una las decisiones que tomamos dependen de un complejísimo entramado de redes neuronales que dialogan entre sí. Un jugador de ajedrez debe recordar jugadas de cientos de partidos previos, anticipar la respuesta de su oponente y evaluar las consecuencias de cada movida. Su cerebro integra la percepción, la memoria y la planificación para finalmente tomar la decisión de mover un peón o un alfil. ¿Cómo hace un órgano compuesto por alrededor de 90 mil millones de neuronas conectadas en vastos circuitos para traducir esta intrincada conversación en un comportamiento?
“Contestar esta pregunta exige más que observar el cerebro y correlacionar patrones de actividad –explicó el profesor Abdel Al-Manira, miembro del Comité Nobel–. Es necesario establecer causa y efecto. Para esto, los neurocientíficos soñaban con descubrir algo así como un ‘interruptor neuronal’, una herramienta para ‘encender’ y ‘apagar’ células nerviosas con gran precisión. Francis Crick, que en 1953 descubrió la doble hélice del ADN, sugirió en los 90 que dado que la comunicación entre neuronas era muy rápida, tal vez podría hacerse con luz. Era una idea brillante, pero fue recibida con escepticismo porque parecía inalcanzable”.
Este proyecto lo hacemos colectivamente. Sostené a El Destape con un click acá. Sigamos haciendo historia.
Sin embargo, los tres científicos que este año obtuvieron el Premio Nobel de Medicina o Fisiología lo lograron. De acuerdo con el anuncio del Instituto Karolinska, Karl Deisseroth, Peter Hegemann y Georg Nagel fueron distinguidos por sus descubrimientos sobre los “canales iónicos activados por luz y la optogenética”, una técnica que consiste en “alumbrar” neuronas individuales a las que se les incorpora una proteína sensible a la luz para activarlas o inactivarlas, y así estudiar su funcionamiento. Deisseroth, nacido en 1971, trabaja en la Universidad de Stanford y en el Instituto Médico Howard Hughes, de los Estados Unidos. Hegemann (de 1954) es profesor en la Universidad Humboldt, de Berlín, y Nagel (de 1953), en la Universidad de Würzburg, ambas en Alemania.
“Hegemann y Nagel descubrieron una proteína de membrana que cuando recibe luz abre un agujerito por el que pasan iones [átomos eléctricamente cargados], señales que le dicen a la neurona si se tiene que activar y transmitir información, o si tiene que apagarse –explica Alejandro Schinder, neurocientífico de la Fundación Instituto Leloir y el Conicet que utiliza esta tecnología desde 2008–. Después vino Deisseroth y ‘la vio’. Se dijo: esto lo metemos en neuronas y podemos prender o apagar neuronas con luz. Lo que revolucionó la neurociencia es que vos este canal lo podés introducir en las neuronas de interés, en distintas regiones del cerebro y preguntarle al cerebro de un animal de laboratorio ¿qué pasa si esta neurona se prende o si se apaga? Y así como se encontró qué neuronas codifican distintos aspectos de la memoria, también podés ‘prender’ neuronas y hacer que un animal reaccione como si tuviera un estímulo que no está teniendo”.
“Conozco bastante bien a Deisseroth; todos nos veíamos venir este premio –comenta Emilio Kropff, que también trabaja en el Instituto Leloir y el Conicet–. Él desarrolló casi todas las herramientas que se llaman ‘optogenética’, junto con Ed Boyden y alguna gente más. Lo que permiten es, ya sea mediante virus o usando animales transgénicos, hacer que las células que a uno le interesan expresen ciertas proteínas que permiten después manipular esas neuronas; por ejemplo, excitándolas, apagándolas o en algunos casos con otras aplicaciones un poco menos utilizadas. Él siempre compartió esta tecnología de manera gratuita, así que enseguida se adoptó en todo el mundo y se volvió un standard de trabajo. Cambió la forma en que los neurocientíficos nos hacemos preguntas acerca del cerebro”.
Entender cómo este órgano fabrica recuerdos, emociones y conductas es un antiguo sueño. Virginia Woolf le escribió en 1932 a una amiga que su propio cerebro era para ella “la más inexplicable de las maquinarias”. Pesa alrededor de 1,3 kilos y guarda recuerdos de la infancia, ensoñaciones y creatividad, provoca alegría, amor y celos, y regula además los latidos, la respiración y el sueño.
Durante el siglo XX los investigadores lograron identificar qué regiones gobiernan cada función, pero los métodos eran toscos y no permitían probar que un tipo específico de neurona causaba un sentimiento o una conducta determinados. El Comité Nobel lo compara con una fotografía borrosa, a la que le faltan muchos detalles.
La historia de este hallazgo que revolucionaría las neurociencias y se difundiría en todo el mundo empezó hace más de tres décadas y donde nadie la buscaba: en un alga unicelular que nada hacia la luz. A principios de los noventa, Peter Hegemann observó que cuando la Chlamydomonas se depositaba en una placa de Petri, el líquido adquiría un tinte verdoso, pero si se la iluminaba desde un costado, el verde se corría hacia la fuente de luz; es decir, que las algas nadan hacia ella.
Hegemann detectó una mancha ocular, un puntito anaranjado en la superficie de la célula que contiene retinal, molécula captadora de luz que también está en nuestros ojos, la midió con electrodos minúsculos y registró un impulso eléctrico apenas medio milisegundo después de que la luz la tocara. En el ojo humano, la luz gatilla una cadena química de muchos pasos, cuyo último eslabón es un canal que se abre y deja pasar iones. Todo el proceso tarda al menos diez milisegundos. El alga era más de veinte veces más rápida, lo que se sugirió una única explicación posible: el mecanismo del alga tenía que ser mucho más simple.
Formuló la hipótesis de que una sola proteína captaba la luz y a la vez hacía de canal. Lo recibieron con escepticismo, porque se conocían muchísimos tipos de canales iónicos pero ninguno respondía solo a la luz. Intentó aislar la proteína, pero fuera de la mancha ocular se volvía inestable y se dañaba con facilidad. Después de años de fracasos, la solución vino de Japón: unos investigadores habían cartografiado el ADN de Chlamydomonas y publicado el código de miles de genes. Entre ellos, el grupo de Hegemann encontró dos con parecidos importantes a genes conocidos de proteínas captadoras de luz.
En busca de la proteína clave
Para averiguar si alguno era el buscado, Hegemann llamó a un colega, Georg Nagel, del Instituto Max Planck de Biofísica, en Frankfurt. Nagel usaba huevos de rana para estudiar proteínas. Inyectó copias de cada gen, por separado, en distintos lotes, que empezaron a producir las dos proteínas desconocidas en cantidad. Las proteínas terminaron en la membrana que rodea al huevo y Nagel descubrió enseguida que la hipótesis que Hegemann había planteado una década antes era correcta. ¡Eureka!
Las llamaron channelrhodopsin-1 y channelrhodopsin-2. La segunda reaccionó con una fuerza y una rapidez extraordinarias. Fue la que abrió el camino a la optogenética: el canal se abría en la superficie del huevo en 0,2 milisegundos, y por él pasaban iones positivos que generaban una señal eléctrica.
Hegemann y Nagel se dieron cuenta de que habían hecho un descubrimiento sensacional. En 2003 publicaron los resultados y propusieron usar la proteína como herramienta para generar impulsos eléctricos en células con luz. Pero eso era más fácil de teorizar que de hacer.
En este punto toma la posta un joven científico norteamericano. Cuando Karl Deisseroth empezó a estudiar medicina, en los noventa, pensaba ser neurocirujano, pero parte de su formación fue en una clínica psiquiátrica, donde lo impactó el sufrimiento de los pacientes y se preguntó por qué el cerebro funciona tan distinto en cada persona: por qué cuesta tanto sentir alegría cuando uno atraviesa una depresión, qué causa el autismo o los delirios de la esquizofrenia. Entendió que, para comprender las enfermedades que veía en sus pacientes, tenía que estudiar neuronas funcionando en un cerebro vivo, algo que en ese momento era imposible.
Otros investigadores intentaban desarrollar métodos como el que había imaginado Crick, pero a muchos les preocupaba gastar tiempo y dinero en algo que parecía un sueño irrealizable. Deisseroth decidió asumir el riesgo.
Al enterarse del hallazgo de la channelrhodopsin-2, le escribió a Nagel para pedirle el ADN. Cuando llegó, lo introdujo en neuronas de rata cultivadas en el laboratorio. Temía que células tan delicadas rechazaran el gen extraño, pero empezaron a producir la proteína sin problemas aparentes. Al exponerlas a luz azul reaccionaron de inmediato: la luz provocaba una señal nerviosa que se propagaba a otras neuronas. Lo publicaron en 2005.
Pero faltaba lo más difícil, controlar neuronas en animales vivos. Un año después, Deisseroth introdujo el gen en un tipo celular específico de la corteza motora de ratones, la zona que gobierna el movimiento, e introdujo por un pequeño agujero en el cráneo una fibra óptica finita. Con pulsos de luz logró mover los bigotes de los animales. Ese mismo año despertó a ratones dormidos: puso la channelrhodopsin-2 en un tipo de neurona recién descubierta que sospechaban que controlaba la vigilia, les transmitió luz, y los ratones se despertaron. Había nacido la “optogenética”.
En otro experimento, junto a Susumu Tonegawa (Nobel 1987 por sus descubrimientos en inmunología) activaron el patrón de conexiones neuronales que se forma cuando se crea un recuerdo. Estudiaron el cerebro de ratones mientras sentían miedo, identificaron las neuronas que parecían formar ese recuerdo y las reactivaron más tarde: los animales mostraron señales de miedo sin estar en peligro. Fue la primera vez que se demostró exactamente qué neuronas son necesarias para un recuerdo específico.
En la Argentina, Alejandro Schinder usa esta técnica desde 2008 en su laboratorio: “Es un canal activable por luz –explica–. Lo que hace esta proteína de membrana es que cuando recibe luz, abre un agujerito y por ahí pasan iones, señales que le dicen a la neurona si se tiene que activar y encender, y transmitir información, o si tiene que apagarse”.
Llevarla solo a las neuronas que uno quiere estudiar se hizo posible gracias a lo mucho que se aprendió de genética. “Vos sabés que, por ejemplo, un tipo de neurona que te interesa estudiar expresa determinado conjunto de genes muy específicos que solo esas neuronas expresan –destaca–. Entonces, le ponés una señal a la channelrhodopsin para que se exprese como si fuera un gen más del programa de esa célula. Metés esa proteína adentro de todas las células del cerebro, pero solamente se van a encender las neuronas que tengan ese programa. Entonces, de esa manera podés elegir exactamente qué tipo de neurona va a tener esta proteína y que cuando vos enciendas la luz, esas neuronas o se prendan o se apaguen”.
Con la técnica, sostiene Schinder, se le pueden hacer preguntas directas al cerebro: “Lo que revolucionó la neurociencia es que este canal lo podés introducir en las neuronas de interés, en distintas regiones del cerebro, y observar qué pasa si esta neurona se prende o se apaga”. Y da un ejemplo práctico: “Podés, por ejemplo, elegir las neuronas que se prenden cuando un animal recibe un estímulo que le da miedo, las activas con luz azul y el animal se ‘friza’, se queda muy quieto, siente lo mismo que cuando recibió el estímulo”.
Con la optogenética se identificaron circuitos del dolor, la conducta social, la sed, la alimentación, la recompensa y la atención, y neuronas que intervienen en procesos que van desde el control del ritmo circadiano hasta el desencadenamiento de la fiebre cuando se activa el sistema inmunológico. En ratones que cuidan a sus crías, se descubrió que un circuito gobierna cómo juntan a los pequeños en el nido y otro, cómo los higienizan.
La técnica también sirve fuera del cerebro. Deisseroth mostró que el ritmo del corazón puede influir en las emociones: si se lo fuerza a trabajar más, refuerza la ansiedad. Otros grupos identificaron células del intestino que explican por qué algunas personas prefieren el azúcar a los edulcorantes.
Schinder utiliza esta herramienta notable para trazar mapas de las neuronas que nacen en el cerebro adulto. “Quisimos saber con qué otros circuitos se comunican las neuronas nuevas, entonces les pusimos channelrhodopsin adentro –detalla–. Cuando vos les hacés llegar luz, se activan todas al mismo tiempo y es como si se prendiera un cartel luminoso que te muestra hacia dónde va la información”. Así se puede ver “quién le manda información a quién, quién recibe información de quién, y de ese modo cartografiar cómo se procesa la información”.
La herramienta tiene una potencia sin precedente: “Permite estudiar cómo funciona el cerebro sano y con problemas neurológicos o neurodegenerativos. No necesariamente se puede aplicar para resolver una enfermedad, pero sí para aprender sobre los procesos que intervienen, de modo que también es importantísima para la medicina”.
Kropff la emplea (por ejemplo, en un trabajo de reciente publicación) para hacerle llegar luz azul a neuronas nuevas a través de una fibra óptica, usando un láser, y excitarlas selectivamente a lo largo de su proceso de maduración para ver cuál es el efecto que tienen sobre la red a medida que van madurando. “Esa es una pregunta que antes de la optogenética, antes de la contribución que hizo Karl Deisseroth al mundo de la neurociencia, era completamente imposible de plantearse. Lo máximo que se podía hacer era poner un electrodo y pasar electricidad, pero se trabajaba en una región enorme. Ahora, en cambio, puedo ir y activar específicamente las neuronas que a mí me interesan, y entonces ver en detalle cuál es el rol que tienen en la red”.
El conocimiento obtenido gracias a esta técnica ya ayuda a entender mejor la depresión, la ansiedad, la esquizofrenia, el Alzheimer y el Parkinson, aunque solo hay pasos iniciales en el tratamiento de la pérdida de visión. Para Schinder el obstáculo es físico: esta proteína solo se activa con la emisión directa de luz y “el único lugar que recibe luz en directo son los ojos”, subraya.
Consultado por el Science Media Center, Manuel Valero, investigador del Hospital del Mar, en España, opinó: “Es un Nobel fascinante, que celebra el encuentro entre disciplinas (…) En menos de dos décadas, la optogenética se convirtió en una tecnología omnipresente en los laboratorios de neurofisiología y nos permitió empujar los límites entre la ciencia y la ciencia ficción. En animales de laboratorio hemos conseguido controlar emociones, crear recuerdos falsos o incluso recuperar recuerdos perdidos en modelos de enfermedad de Alzheimer. Hasta ahora, una de sus pocas aplicaciones clínicas ha sido la recuperación parcial de la visión en un paciente. Quizá lo que todavía le queda por cumplir sea precisamente una de sus promesas fundacionales: su capacidad para tratar enfermedades del cerebro humano”.
Y Gertrudis Perea, científica titular y responsable del Laboratorio de Redes Neuronales y Gliales del Centro de Neurociencia Cajal, de ese mismo país, afirmó: “El Nobel de Medicina otorgado a Karl Deisseroth, Peter Hegemann y Georg Nagel premia una idea tan sencilla como revolucionaria: controlar neuronas con luz (…) Este reconocimiento representa también el triunfo de la ciencia básica que, partiendo de un alga, ha iluminado la neurociencia”.
Schinder coincide: “Todo esto surgió de dos tipos que querían ver cómo hace un alga para moverse hacia la luz. ¿Quién se iba a imaginar que después con ese conocimiento se iba a intentar tratar de curar la ceguera? Ese es el valor de la investigación básica, que se pregunta cómo funcionan las cosas. Lo mismo ocurrió con los anticuerpos monoclonales de Milstein, que hoy se usan para curar el cáncer, algo que él jamás hubiera imaginado. Cuando uno hace los experimentos no puede anticipar lo que va a ocurrir 20 años en el futuro”.