Científicos consiguen por primera vez controlar la actividad neuronal del cerebro con luz

Investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y del IDIBAPS-Hospital Clínic han conseguido controlar, por primera vez, la actividad neuronal en el cerebro utilizando una molécula sensible a la luz, denominada PAI.

Según los investigadores, este logro abre el camino para actuar sobre los patrones de actividad cerebral y comprender su conexión con la cognición y el comportamiento, además de posibilitar el desarrollo de fármacos fotomodulables para tratar lesiones cerebrales o enfermedades como la depresión, trastornos bipolares, Parkinson o alzheimer.

Los científicos del IBEC han informado de este avance en un comunicado en el que explican que el cerebro presenta diferentes estados en función de la comunicación entre miles de millones de neuronas, y que todas las percepciones, recuerdos y comportamientos humanos se basan en esa red.

A menudo se considera que el cerebro es una "caja negra" de difícil acceso para médicos e investigadores, ya que hay pocas y limitadas herramientas disponibles para hacer estudios precisos en espacio y tiempo sobre el comportamiento neuronal en el cerebro.

Esta investigación ha descrito la primera manera de fotomodular directamente las transiciones del estado del cerebro in vivo, y los resultados muestran que esta nueva molécula colinérgica, denominada PAI (de Phthalimide-Azo-Iper) puede controlar específica y localmente los receptores de acetilcolina, un neurotransmisor cerebral relevante en numerosos procesos como el aprendizaje, la atención o la memoria.

El trabajo, liderado por Pau Gorostiza (IBEC) y Mavi Sanchez-Vives (Idibaps) y que publica la revista 'Advanced Science', ha incluido a participantes de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y se ha llevado a cabo en el marco del Proyecto “Human Brain” de la UE.

Los investigadores han señalado que las transiciones entre estados cerebrales, como puede ser pasar de estar dormido a despierto, o despertar de un estado de coma, se basan en la transmisión de señales químicas y eléctricas entre grupos de neuronas involucradas en diferentes funciones.

Las técnicas actuales para modular la actividad neuronal, como la estimulación magnética transcraneal o por ultrasonidos, tienen una baja precisión espacio-temporal y un bajo espectro de acción.

Una técnica de alta precisión que también utiliza la luz para controlar las neuronas es la optogenética, pero depende de la manipulación genética, dificultando su utilización en seres humanos por razones de seguridad.

En este trabajo, los investigadores han aplicado fotofarmacología para abordar esos problemas, y han usado una nueva molécula previamente desarrollada en el IBEC, la PAI, que responde a la luz y permite una modulación espacio-temporal controlada de las neuronas cerebrales.

Esta molécula se une y controla la actividad de los receptores colinérgicos muscarínicos, que reconocen la acetilcolina y son clave en la interacción y comunicación neuronal.

Con su utilización, las transiciones de estados cerebrales dependientes de inervación colinérgica pueden controlarse mediante luz usando fármacos cuyo diseño químico les hace fotosensibles.

"El control de la actividad neuronal en el cerebro es clave para investigaciones básicas y aplicadas, y para desarrollar técnicas seguras y precisas para intervenciones cerebrales terapéuticas en neurología clínica", ha destacado el investigador del IBEC Fabio Riefolo.

El investigador ha detallado que, al iluminar con luz blanca el cerebro intacto tratado previamente con PAI, pudieron modular las oscilaciones lentas espontáneas en los circuitos neuronales y manipular reversiblemente la frecuencia de oscilación del cerebro.

Esta nueva herramienta de ingeniería química ha permitido inducir e investigar en detalle, de forma controlada y no invasiva, las transiciones cerebrales del sueño hacia el estado de vigilia utilizando iluminación directa.