Soy un Ph.D. estudiante de bioingeniería en Stanford y trabajo con el laboratorio de Karl Deisseroth para parte de mi investigación sobre células madre para la enfermedad de Parkinson. Karl realmente fue pionero en la forma más ubicua de optogenética en ~ 2005/2006 con su estudiante graduado Feng Zhang (quien hizo el trabajo real, como tienden a hacer los subordinados).
Explicación rápida de optogenética (para obtener más información, consulte los enlaces publicados en la pregunta): una forma importante de control y comunicación celular depende del voltaje. Esto no es del todo “eléctrico” porque en realidad no fluyen electrones. Por el contrario, las membranas celulares tienen voltajes diferentes dependiendo de la concentración de iones dentro de la célula en comparación con la concentración de iones directamente fuera de la membrana celular. Así es como las neuronas transmiten señales. Parte de una neurona (por una razón corriente abajo, ya sea otra neurona o una célula de la retina, músculo, canal táctil sensible, señal de etc.) se despolariza por flujo de iones positivos en la célula, elevando el voltaje a un “nivel umbral” que una vez una afluencia masiva de iones positivos que impulsa la despolarización completa. La despolarización de una sección de la neurona se inicia en los canales de iones dependientes de voltaje vecinos, y la señal se transmite por el cuerpo y los axones de la neurona y, finalmente, a la siguiente neurona. [para aquellos interesados: el voltaje / potencial se calcula usando la ecuación de Nernst: E = RT / zF ln ([concentración de iones dentro] / [concentración de iones afuera])) Optogenética es la técnica de incrustación de un canal iónico sensible a la luz en la membrana . Cuando brillas la longitud de onda de luz específica que abre este canal, un ion específico de especie (Na, Cl, etc.) fluye hacia la célula y cambia el voltaje / potencial de la membrana. Los iones con carga positiva iniciarán una cascada de potencial de acción (activarán la célula) y el flujo de iones con carga negativa inhibirá (silenciará) la célula.
Impacto: Veo la optogenética como un avance de la especificidad. Durante algunos siglos, hemos tenido la capacidad de estimular cada célula dependiente de voltaje en el cuerpo con electrodos. Sin embargo, la especificidad de la estimulación se limitó a la variable de ubicación. Podríamos estimular las células cardíacas (cardiomiocitos), pero estimularíamos cada célula dentro del alcance del electrodo. Lo mismo es cierto para las estructuras cerebrales. Podríamos estimular el núcleo subtalámico para tratar los temblores de pacientes con enfermedad de Parkinson (como lo hace un dispositivo de Medtronic). Sin embargo, el núcleo subtalámico tiene muchos “tipos” diferentes de neuronas en él. Lo que nos gustaría hacer es estimular tipos específicos de neuronas en diferentes estructuras cerebrales. Con la optogenética, podemos ajustar la expresión de nuestros canales optogenéticos utilizando promotores que son específicos para el tipo de célula de interés. Tal vez solo queremos estimular neuronas excitadoras en el núcleo subtalámico de pacientes con Parkinson, entonces usaríamos un promotor CamKIIa. Combine este enfoque con una fibra óptica y obtendrá la especificidad * espacial * y * genética *. Ahora, los experimentos de estimulación se vuelven exponencialmente más potentes: podemos comenzar a investigar los efectos específicos de los subtipos celulares en el cerebro de los mamíferos porque este trabajo puede realizarse en animales vivos que se mueven libremente.
En mi opinión, el impacto de este trabajo es masivo y puede ser la herramienta más habilitante en la neurociencia de esta década, si no más. Las aplicaciones potenciales son casi demasiado interminables para enumerarlas. Pero algunos selectos son:
Áreas de investigación con optogenética:
1. La aplicación inmediata es investigar la biología básica de cómo funciona el cerebro. Investigar cómo las neuronas están conectadas en el cerebro. La combinación de optogenética con fMRI le permite estimular un pequeño grupo de neuronas y luego “observar” qué neuronas se excitan posteriormente aguas abajo de su objetivo, incluida la cinética de esta respuesta. Remy y Jin hicieron este trabajo, y ambos son geniales también (Jin ahora es profesor en la UCLA). Cita: Jin Hyung Lee, Remy Durand, Viviana Gradinaru, Feng Zhang, Inbal Goshen, Dae-Shik Kim, Lief E. Fenno, Charu Ramakrishnan y Karl Deisseroth Señales fMRI globales y locales impulsadas por neuronas definidas optogenéticamente por tipo y cableado. Nature 2010 Epub 16 de mayo.
2. Optogenética para controlar la contracción muscular, útil para aplicaciones clínicas eventuales en enfermedades neuromusculares. El laboratorio Delp (también bioingeniería de Stanford) hizo este trabajo con el laboratorio Deisseroth y lo acaba de publicar en Nature Medicine, “Reclutamiento ordenado de unidades motoras bajo control óptico in vivo”.
3. Optogenética para la enfermedad de Parkinson: Investigar estructuras y neuronas cuya estimulación reducirá los efectos de la enfermedad de Parkinson. El trabajo en esto fue publicado en Science el año pasado por Vivianna y Murtaza (ambas personas muy agradables). Cita: Gradinaru V, Mogri M, Thompson KR, Henderson JM, Deisseroth K. Deconstrucción óptica de circuitos neurales parkinsonianos. Ciencia. 2009 17 de abril; 324 (5925): 354-9.
4. Optogenética para controlar el estado de ánimo / comportamiento. Ahora podemos modular el comportamiento de “esperanza”, “movimiento” y “recompensa”. En lugar de administrar un fármaco, como un antidepresivo, la optogenética proporciona un control de menos de milisegundos, lo que permite un nuevo conjunto de posibles experimentos para investigar cómo funciona la mente de los mamíferos.
5. Optogenética para controlar las células humanas en animales. Esto es en lo que estoy trabajando, no puedo revelar lo que es ahora, pero será increíble y les recordará a mis amigos sobre Matrix.
Para ver un ejemplo de control optogenético del comportamiento motor, mire este video (no seguro para las personas contra la investigación con animales [lo que significa que no es seguro para las personas que no desean nuevos medicamentos, dispositivos médicos, vacunas y nuevos descubrimientos en biología del organismo] ): http://singularityhub.com/2010/0…
Conclusión: la neurociencia (y muchos otros tipos de células) tienen una nueva herramienta increíble que conducirá a avances con beneficios potenciales para las personas afectadas por innumerables enfermedades neurológicas y neuromusculares.
