La optogenética

La optogenética es una ciencia emergente que combina técnicas de detección óptica y genética, con el fin de sondear circuitos neuronales dentro de cerebros intactos de mamíferos y otros animales, en tiempos del orden de milisegundos, tiempos necesarios para comprender cómo se procesa y transforma la información entre neuronas.

El principio fundamental en el que se basa esta técnica innovadora, es la activación de un potencial de acción dentro de las neuronas. Fue descubierto en 2002 por Miesenböck. También fue el PRIMERO en usar la optogenética para verificar el comportamiento animal. El término optogenética fue acuñado en 2006 para referirse a las metodologías ópticas de alta velocidad útiles para la exploración genética y el control de neuronas dentro de circuitos neuronales intactos. Al año siguiente se utilizó para describir esta nueva técnica en las páginas de Ciencia y naturaleza, en artículos de interés general y técnico - científico. La optogenética fue seleccionada como el método del año 2010 por Nature Methods.

El cerebro es un sistema cuyas funciones ocurren a velocidades muy altas, por lo que la precisión de milisegundos es crucial para comprender los mecanismos neuronales que subyacen al concepto de optogenética. La genética tradicional, por otro lado, se utiliza para investigar el papel causal de genes específicos dentro de las células, a través de proteínas codificadas, a menudo mediante el estudio de los cambios en la "pérdida o ganancia de función" , para comprender cómo la herencia genética de los organismos controla el desarrollo y el comportamiento. La precisión temporal de las manipulaciones genéticas tradicionales es bastante lenta, en el orden de horas, días o incluso meses. Pero para verificar con precisión los patrones neuronales, son necesarios tiempos del orden del milisegundo, que solo con optogenética fue posible lograr. Esta técnica permite la adición o sustracción de patrones precisos de actividad dentro de las células objetivo ubicadas en el cerebro intacto de los animales, incluidos los mamíferos. De esta manera, la introducción de enzimas en los canales catiónicos activados por la luz, permitió la manipulación de la actividad neuronal con una precisión de milisegundos, manteniendo al mismo tiempo una resolución celular mediante el uso de mecanismos Diana específicos. Como resultado, los potenciales de acción trenes a frecuencias específicas podrían ser inducidos en células animales específicas. La importancia potencial de controlar selectivamente patrones precisos de potenciales de acción dentro de subtipos de células cerebrales (por ejemplo, el uso de la luz para controlar neuronas ópticamente sensibles) fue ilustrada por Francis Crick en sus conferencias en la Universidad de California, San Diego. En 2005, el grupo de Karl Deisseroth de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford ha propuesto el uso de un microbiano opsina en neurobiología, el canalrodopsina - 2, un solo componente extraído de las algas, que ha permitido los controles funcionales en las escalas de tiempo del orden de milisegundos, que requiere solo una '' expresión génica para la función, y que se activa con la luz del espectro visible por medio de un cromóforo (retiniano) ya presente y suministrando canalrodopsina-2 del tejido cerebral de los mamíferos Entre 2002 y 2005, se probaron varios métodos de fotoestimulación genéticamente dirigida: desde el uso original de opsinas por el grupo Miesenböck, hasta el posterior grupo Kramer e Isacoff. Por una serie de razones técnicas, mientras se realiza el control fotónico de la red neuronal, no es posible controlar los patrones de acción de los potenciales en los mamíferos. La utilidad experimental del ChR2, para analizar los circuitos neuronales, se verificó rápidamente en varios animales, desde mamíferos hasta gusanos y peces cebra, y desde 2005 cientos de grupos de trabajo han utilizado el ChR2 y sus proteínas microbianas. Para excitar las neuronas, además de la canalrodopsina - 2, se identificó otra opsina, la Volvox Canalrodopsina - 1 (VChR1). Para estudiar las funciones de una red neuronal biológica, son necesarias las opsinas de excitación e inhibición : las opsinas microbianas ChR2 y VChR1, junto con la Halorodopsina y la Arqueerodopsina son opsinas de excitación, mientras que las opsinas fúngicas como la de leptosphaeria maculans, se utilizan como mecanismo de inhibición de las neuronas. En el medio, para variar la concentración de mensajeros intracelulares en células individuales, como el monofosfato cíclico de guanosina (cGMP), el trifosfato de inositol (IP3) y el monofosfato cíclico de adenosina (cAMP), se crearon fotosensores quiméricos específicos, a través de una fusión de opsinas con receptores acoplados a proteínas G específicos. Esta serie de sondas optogenéticas ahora permite tanto el control temporal más preciso de células de tipo específico, como el control funcional múltiple de axones neuronales, dentro de animales intactos. La optogenética incluye necesariamente dos aspectos fundamentales: para estimular áreas como la corteza cerebral, se utilizaron fibras ópticas o LEDs montados directamente en el cráneo del animal. Cuanto más profundas son las fibras ópticas implantadas, más luz llega a las áreas más profundas del cerebro. Las opsinas microbianas (incluyendo ChR2, Vchr1 y Arch) se dan cuenta de una ventaja fundamental: son completamente funcionales dentro del cerebro de los mamíferos sin la adición de cofactores exógenos. La optogenética ha fomentado la comprensión de cómo determinados tipos de células neuronales contribuyen a la función de los circuitos neuronales in vivo . En el lado clínico, los pacientes con enfermedad de Parkinson y otros trastornos neurológicos y psiquiátricos pueden beneficiarse de las ideas que surgen en el curso de la investigación optogenética. De hecho, en 2009 la investigación sobre optogenética proporcionó información valiosa para comprender los mecanismos de desarrollo de enfermedades como la enfermedad de Parkinson, el autismo, la esquizofrenia, la depresión y las adicciones como la drogadicción.

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