La optogenética es una técnica revolucionaria en el campo de la neurociencia que permite el control de la actividad neuronal en organismos vivos con una precisión sin precedentes [1,2]. Al fusionar métodos de la genética y de la óptica, esta técnica facilita el control de neuronas modificadas genéticamente para expresar canales iónicos sensibles a la luz. Esta innovadora aproximación ha abierto nuevas vías para comprender cómo los patrones específicos de actividad neuronal influyen en comportamientos, emociones y procesos cognitivos, y ha sentado las bases para el desarrollo de terapias innovadoras para trastornos neurológicos [3].

Opsinas: El Núcleo de la Optogenética

En el corazón de la optogenética se encuentran las opsinas, proteínas sensibles a la luz que, una vez expresadas en neuronas, posibilitan su activación o inhibición mediante la exposición a luz de determinadas longitudes de onda. La elección de la opsina se alinea con el objetivo experimental, ya sea activar o inhibir poblaciones neuronales específicas, tomando en cuenta propiedades como la sensibilidad a la longitud de onda y la cinética de activación/desactivación. Para lograr su expresión en la membrana celular, estas opsinas se introducen en las neuronas objetivo mediante vectores virales o técnicas de transfección, y su especificidad puede ser afinada usando promotores específicos de tejidos o tipos celulares [3].

Channelrodopsina (ChRs)

Las channelrodopsinas, que se activan generalmente por luz en el espectro azul, son opsinas excitadoras capaces de abrir canales iónicos para el flujo de iones positivos, induciendo la despolarización neuronal y facilitando el disparo de potenciales de acción.

Halorodopsinas (NpHR) y Archaerodopsinas (Arch)

Por otro lado, las halorodopsinas y archaerodopsinas funcionan como opsinas inhibidoras que, activadas por luz en longitudes de onda más largas, permiten el flujo de iones cloruro fuera de la célula, hiperpolarizando la neurona e inhibiendo su actividad.

Fuentes de Luz en Optogenética

La optogenética también depende críticamente de las fuentes de luz elegidas para activar las opsinas sin dañar el tejido circundante.

Láseres

Los láseres son preferidos por su capacidad para generar haces de luz coherente y de alta intensidad que pueden ser dirigidos y enfocados de forma precisa sobre áreas específicas del cerebro, lo que permite una estimulación neuronal altamente localizada.

LEDs (Diodos Emisores de Luz)

Los LEDs, por su parte, presentan una alternativa versátil y efectiva en coste, siendo capaces de producir luz a través de un amplio rango de longitudes de onda, si bien su intensidad suele ser inferior a la de los láseres [4]. En Pyroistech, disponemos de fuentes de luz LED especialmente diseñadas para cumplir con los requisitos particulares de la investigación optogenética.

La Importancia de la Fibra Óptica

La fibra óptica emerge como un componente crucial para la entrega precisa de luz en aplicaciones de optogenética, permitiendo alcanzar con mínima invasión áreas profundas del cerebro que de otro modo serían inaccesibles. Su capacidad para dirigir la luz con gran precisión y minimizar el daño al tejido circundante es esencial para estudios que requieren una activación o inhibición neuronal específica. De manera particular, la fibra óptica se distingue por su precisión y su capacidad para ser personalizada en términos de longitud, diámetro y configuración final, adaptándose a las necesidades específicas de cada experimento.

Las herramientas basadas en fibra óptica se integran perfectamente con técnicas experimentales avanzadas, ampliando las posibilidades de la optogenética en la investigación sus potenciales aplicaciones terapéuticas. De manera particular, aparece una sinergia destacable en el empleo de opsinas y la utilización de fuentes de luz a longitudes de onda específicas, junto con el empleo de sistemas para el transporte de luz basados en fibra óptica, presentando una oportunidad única para el avance de la optogenética hacia nuevos horizontes, prometiendo descubrimientos y aplicaciones innovadoras en el campo de la neurociencia.

Referencias:

[1] Samarendra K. Mohanty & Vasudevan Lakshminarayananan (2015) Optical techniques in optogenetics, Journal of Modern Optics, 62:12, 949-970, DOI: 10.1080/09500340.2015.1010620

[2] Emiliani, V., Entcheva, E., Hedrich, R. et al. Optogenetics for light control of biological systems. Nat Rev Methods Primers 2, 55 (2022). https://doi.org/10.1038/s43586-022-00136-4

[3]Sun, Y.; Li, M.; Cao, S.; Xu, Y.; Wu, P.; Xu, S.; Pan, Q.; Guo, Y.; Ye, Y.; Wang, Z.; et al. Optogenetics for Understanding and Treating Brain Injury: Advances in the Field and Future Prospects. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 1800. https://doi.org/10.3390/ijms23031800

[4] https://nicneuro.net/2022/10/26/optogenetics-led-systems/