En un avance significativo en el campo de la neurociencia, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) han desarrollado un sistema innovador que utiliza fotones en lugar de neurotransmisores químicos para controlar la actividad neuronal. Este nuevo método, detallado en la revista Nature Methods, podría revolucionar la comprensión y el tratamiento de los trastornos neurológicos, así como ampliar nuestras capacidades cognitivas y de comportamiento.
El cerebro humano funciona gracias a la transmisión sináptica, un proceso mediante el cual miles de millones de neuronas envían y reciben señales eléctricas y químicas. Los neurotransmisores químicos son liberados de una neurona y viajan hacia otras, generando una señal que puede excitar, inhibir o modular la actividad celular. Este delicado equilibrio de señales es esencial para que el cerebro procese información sensorial, tome decisiones y ejecute comportamientos.
Los métodos convencionales para controlar la actividad neuronal incluyen el uso de fármacos y la estimulación eléctrica. Sin embargo, una tercera opción se ha explorado recientemente: el uso de la luz. La manipulación de la actividad neuronal mediante fotones es posible gracias a la modificación genética de las neuronas para que expresen proteínas y canales iónicos sensibles a la luz. No obstante, este enfoque presenta desafíos técnicos y limitaciones, ya que la luz puede dispersarse en el tejido cerebral y su administración requiere de técnicas invasivas.
El equipo del ICFO, liderado por el profesor Michael Krieg y con Montserrat Porta como primera autora, ha ideado un sistema llamado PhAST, que emplea luciferasas (enzimas que emiten luz) y canales iónicos fotosensibles. Este método fue testado en el nemátodo Caenorhabditis elegans, un organismo modelo muy utilizado en estudios biológicos. Al modificar genéticamente los gusanos y alterar sus neurotransmisores para hacerlos insensibles a estímulos mecánicos, los investigadores demostraron que los fotones pueden revertir estas alteraciones sensoriales y restablecer la comunicación neuronal.
La técnica también permite observar la actividad del calcio en las neuronas sensoriales, utilizando un microscopio específico asistido con aprendizaje automático. Con esta configuración, los investigadores lograron restaurar conexiones neuronales, suprimir respuestas a estímulos dolorosos y cambiar comportamientos de atracción a aversión en respuesta a estímulos olfativos.
Los resultados obtenidos indican que los fotones pueden actuar como neurotransmisores, permitiendo una comunicación precisa entre neuronas. Esto abre una nueva vía para el control y monitoreo de la actividad neuronal, ofreciendo aplicaciones tanto en la investigación básica como en la práctica clínica. En el futuro, mejorar la ingeniería de las enzimas bioluminiscentes y los canales iónicos podría llevar a una manipulación óptica no invasiva y altamente precisa de la función neuronal. Este avance promete revolucionar nuestra comprensión de la función cerebral y ofrecer nuevas herramientas para tratar neuronas dañadas sin la necesidad de cirugías invasivas.
