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SÃlo para ingenieros: La optogenÃtica acorta rÃpidamente la brecha entre la realidad y la ciencia ficciÃn...



Estimados colegas y amigos,

El presente envio, el cual comparte uno de nuestros colegas, nos sorprende, nos asombra y nos da la certeza que cada vez se cierra con mayor rapidez la brecha entre la ciencia ficcion y la realidad. Â

El tema a analizar trata sobre una metodologia para insertar genes de proteinas fotosensibles en celulas cerebrales (neuronas) con el fin de activarlas o desactivarlas selectivamente mediante una luz provista por implantes de fibra optica. El objetivo es lograr un control sin precedentes sobre las funciones del cerebro, buscando la posibilidad de curar o reparar trastornos como la esquizofrenia, los ataques de poliomielitis, el estres postraumatico, las adicciones, ciertas formas de ceguera y posiblemente mejorar los procesos cognitivos. En el horizonte no muy lejano: protesis neuronales.



Son muy interesantes y instructivos los perfiles de los cientificos liderando los grupos de investigacion que desarrollan la metodologia en comento, cuyo fin es lograr los objetivos ya mencionados.

Por un lado, Ed Boyden lidera el Grupo de Neurobiologia del MIT, quien tiene una licenciatura en matematicas y otra en fisica, una maestria en ingenieria electrica y un doctorado en neurociencias.



Otro grupo es el de la Universidad de Stanford, liderado por Karl Deisseroth, quien tiene una licenciatura en ciencias bioquimicas, otra en medicina y un doctorado en neurociencias.



Como ustedes observan, la formacion de estos lideres academicos es perfectamente interdisciplinaria y como veran mas adelante, complementaria para los objetivos propuestos.

Los trabajos de investigacion que estos grupos desarrollan han generado un nuevo campo de especialidad denominado 'Optogenetica'. 'La Optogenetica' se puede definir como la combinacion de la genetica y varios metodos opticos, estos ultimos con un fuerte componente en ingenieria, los cuales se enfocan en controlar eventos especificos en ciertas celulas de tejido vivo, tanto en mamiferos como en otros animales, con precision temporal (milisegundo-Escala temporal) necesaria para mantener el ritmo intacto del funcionamiento de los sistemas biologicos. En 2010, 'La Optogenetica' fue elegida como el Metodo del ano entre todos los campos de la ciencia y la ingenieria por la revista de investigacion interdisciplinaria "Nature Methods".



ÂEn que consiste la multimencionada metodologia?

Bueno aqui vamos a tratar de nadar en aguas muy densas y complejas... veamos que tan bien librados salimos de esta.

Para empezar debemos decir que las metodologias que trataremos de entender tiene como escenario el cerebro de los humanos el cual es increiblemente complicado, compuesto de cientos de miles de millones de celulas llamadas neuronas de las cuales decenas de miles son diferentes en tamano, forma y funciones; de hecho estas estan compuestas por moleculas diferentes entre si; estas celulas se proyectan y conectan hacia distintas regiones del cerebro o del cuerpo y cambian de distintas maneras en diferentes estadias (estadios) de las enfermedades.



Cada una de estas celulas es un dispositivo electrico increible. Reciben senales de miles de companeras de una parte del cerebro, calcula sus propias respuestas electricas que luego, si pasan un determinado umbral, iran a parar a miles de companeras de otra parte del cerebro quienes a su vez la trasferiran en forma electrica para cumplir una serie de ordenes a diferentes partes del cuerpo. Este proceso que demora mas o menos solo un milisegundo sucede miles de veces por minuto en cada una de las 100 mil millones de celulas mientras una persona viva, piense y sienta.


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Actualmente no se conoce con precision que es lo que hacen y como funciona los diferentes tipos de neuronas y que cambios ocurren en su funcionamiento cuando se presentan enfermedades relacionadas con el cerebro. El conocerlo es precisamente el objetivo de los grupos de investigacion que acabamos de mencionar.
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Asi que, ÂComo los grupos de investigacion estan tratando de dilucidar que hacen estos circuitos neuronales?

Ed Boyden nos comenta que idealmente, se podria ir a traves del circuito y encender y apagar los distintos tipos de celulas y ver si se puede dilucidar cuales contribuyen a determinadas funciones y cuales funcionan mal en ciertas patologias.



Si se pudiera activar celulas de esta forma se podria ver que potencial pueden liberar. Si se pudiera apagarlas se podria intentar y dilucidar para que son necesarias. Ed comenta que cuando empezo a incursionar en las neurociencias hace 11 anos (ya con un bagaje de conocimientos en ingenieria electrica y fisica) lo primero que penso fue... bueno si estas neuronas son dispositivos electricos, todo lo que hace falta es encontrar la manera de manejar estos cambios electricos a distancia. Es decir, si pudieramos encontrar un mecanismo para encender la electricidad de una celula, pero no la de sus vecinas, eso nos daria la posibilidad de activar y/o apagar distintas celulas a voluntad, lo cual permitiria a su vez averiguar que hacen y como contribuyen a las redes en las que estan insertas. Y eso tambien nos permitiria contar con una herramientas de control ultra-precisa para corregir los calculos del circuito que estuvieran mal. Y con esto en mente se avocaron a resolver este problema.



Enseguida recordaron que en la naturaleza hay muchas moleculas capaces de convertir la luz en electricidad. Se les puede pensar como pequenas proteinas capaces de convertir la luz en electricidad. De hecho podria pensarse en estas celulas como si tuvieran integrado una especie de celdas solares naturales. Luego pensaron: si de algun modo podemos transferir estas caracteristicas a las neuronas que queremos controlar, entonces estas neuronas podrian manipularse electricamente con la luz. Y sus vecinas, que no tienen la molecula, no. Hay otro pase de magia que hicieron para que todo esto funcione y es como meter luz en el cerebro. Para lograrlo, y aprovechando por un lado la caracteristica de que el cerebro no siente dolor, y por el otro, sacando provecho de los desarrollos de Internet y comunicaciones, se les ocurrio utilizar Âfibra optica conectada a laseres para activar estas neuronas y luego observar que hacen! ÂSencillo! Âno?



Bueno pero empecemos como se debe... por el principio.

Ed Boyne en colaboracion con Karl Deisseroth encontraron que hay un alga en el oceano que tiene que moverse (nadar) hacia la luz para hacer la fotosintesis de manera optima. Detecta la luz con un pequeno ocelo, que funciona no muy distinto que nuestros ojos. Su membrana contiene pequenas proteinas (moleculas) sensibles a la luz denominadas canalrodospsinas. Cada una de estas proteinas actua como una celda solar: ante la presencia de luz azul, abre un pequeno hoyo y permite el ingreso de particulas cargadas al ocelo. Eso le permite a este ocelo tener una senal electrica al igual que una celda solar que carga una bateria. Posteriormente han encontrado que otras celulas proveniente de otros seres vivos, como por ejemplo algunos hongos, tienen la propiedad de ser foto-sensibles a otro tipo de luz como la amarilla o la roja.



El siguiente reto al que Ed y Karl se enfrentron fue como tomar estas moleculas y transferirselas a las neuronas que querian controlar. ÂComo lo lograron? Pues muy facil (bueno asi lo cuentan ellos), dado que es una proteina y la propiedad de la foto-sensibilidad esta codificada en su ADN, simplemente pensaron tomar ese ADN y colocarlo en la celula seleccionada utlizando un vector de 'terapia genica' ('La terapia genica' consiste en la insercion de genes funcionales ausentes en el genoma de un individuo utilizando como agente un virus modificado). En seguida se explica a grandes rasgos la tecnica.Â



Y bueno, nos platica Ed que temprano por la manana, un dia de verano de 2004, lo intentaron y... Âfunciono al primer intento!

Simplemente tomaron este ADN y lo colocaron en una neurona. La neurona uso su mecanismo natural de proteinas y las reprodujo en toda la celula; Es como poner paneles solares en el techo. Y lo siguiente que supieron es que Âtenian una neurona que podia activarse con la luz!



Un truco que hay que saber hacer es trasferir estos genes unicamente a las celulas que uno quiere y no a todas sus otras vecinas. Y puede hacerse; comenta el Dr. Boyden que esta metodologia permite aplicar estos 'virus modificados' para entregar el gen a un solo tipo de celula en una red compleja de neuronas para que impacte a algunas celulas y no en otras. Hay que recurrir a este truco y a otros trucos geneticos para obtener celulas foto-actividades sensibles a diferentes tipos de luz (azul, amarilla, roja, etc), pero...



debido a las limitaciones de espacio no podemos adentrarnos en todos estas metodologias o trucos (como les dice Ed Boyden ). Quiza en un envio posterior...

La otra parte importante en la metodologia desarrollada por Ed y Karl es el instrumento con el que se aplica la luz. Esta herramienta puede entregar miles de puntos de luz a un pedazo de materia gris mas pequeno que un terron de azucar. El nuevo dispositivo de fibra optica, creada por los grupos de investigacion mencionados, es la primera herramienta que puede ofrecer puntos precisos de luz a una seccion tridimensional de tejido cerebral vivo. El dispositivo se describe en un articulo publicado en la revista 'Optics Letters' de la ' Optical Society (OSA)'.



En una version anterior, el dispositivo de Boyden parecia una sonda de aguja fina con puertos emisores de luz a lo largo de su longitud; esta configuracion permitia a los cientificos manipular las neuronas a lo largo de una sola linea. Sin embargo, la nueva herramienta contiene hasta un centenar de estas sondas en una cuadricula (matriz), lo que hace que el dispositivo parezca como una serie de peines de dientes finos ubicados uno al lado del otro con los dientes apuntando en la misma direccion.

Cada sonda es de solo 150 micras de diametro -un poco mas gruesa que un cabello humano- y lo suficientemente delgada para que el dispositivo pueda ser implantado en cualquier profundidad en la corteza sin danarlo. Como mencionamos anteriormente, el cerebro no tiene receptores del dolor, por lo que los implantes no causan ninguna molestia para el cerebro en si. Como en el modelo anterior, varios puertos emisores de luz estan situados a lo largo de la longitud de cada sonda. Los cientificos pueden iluminar y cambiar el color de cada puerto de luz de forma independiente al resto. La nueva herramienta proporciona luz al cerebro en tres dimensiones, incrementando el potencial para explorar circuitos completos dentro del cerebro. Hasta ahora, la version tridimensional ha sido probada en ratones, aunque Boyden y sus colegas han utilizado tambien tecnologias optogeneticas anteriores con primates no humanos.

Y como ya lo mencionamos, ya no nos quedà suficiente espacio para describir la gran variedad de aplicaciones que se estan iniciando derivadas de la metodologia, o mejor dicho, de las serie de metodologÃas aqui revisadas. Sin embargo, quiza valga la pena explorar, solo como una probadita, la descripcion de una aplicacion (dicen que para muestra un boton) y con ello quiza se animen a ver el video anexo de Ed Boyden en TEC.

Asi pues, un experimento que actualmente se esta intentado es el que se realiza con el tipo de neurona que se atrofia en la esquizofrenia (llamada canasta - 'basket' en ingles).Â



Algunas de estas neuronas se preparan con el gen extraido del alga ya mencionada. Este manipulacion solo debera llevar la expresion de es gen con relacion a la sensibilidad a la luz de esa neurona. Actualmente se estan haciendo pruebas iluminando de azul toda la red cerebral, luz que solo esta siendo detectada por estas celulas provocando su activacion electrica. Cuando apagan la luz estas celulas vuelven a la normalidad. Hasta ahora no parece haber aversion u otra alternacion a esta manipulacion y los resultados estan pendiente de reportarse y parecen bastante prometedores.

Los investigadores mencionan que esta tecnica no solo se esta utilizando para estudiar el funcionamiento celular y su poder de computo dentro del cerebro, sino que se esta usando para tratar de averiguar si las neuronas realmente estan atrofiadas. En fin, tarea pendiente es la de estar revisando el avance de estas investigaciones.

La exposiciÃn de Ed Boyden en TEC la pueden ver en la siguiente liga:
http://www.ted.com/talks/lang/es/ed_boyden.html

Fuentes:
http://boletinaldia.sld.cu/aldia/2012/12/04/crean-nuevo-interruptor-tridimensional-de-luz-para-el-cerebro/
http://www.technologyreview.es/read_article.aspx?id=36003
http://axxon.com.ar/noticias/2010/03/interruptores-de-luz-controlan-las-neuronas/
http://www.news-medical.net/news/20121119/1532/Spanish.aspx


ÂEspero que hayan disfrutado la informacion que nos envio nuestro colega! Yo me sorprendi, aprendi, me asombre y por supuesto Âla disfrute!

Agradezco las contribuciones y opiniones enviadas.

No. de ingenieros en la lista de distribucion: 601 (ÂExcelente noticia!)

No. de envio: 122

Bienvenidos comentarios sobre los envios.

Nota: Este correo no tiene acentos

Aprovecho para desearles una Feliz Navidad y un proximo ano repleto de salud, de muchos logros en el plano profesional, y de alegria, felicidad y amor en lo familiar.
Esperando disfruten su vacaciones les envio un fuerte abrazo.
Arnoldo


Comentarios sobre el envio 121: Los trajes de Baumgartner y de Solodovinik...
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El 15/12/12 08:57 a.m., JOSE MANUEL MAYAGOITIA HERNANDEZ escribio:
Estimado Arnoldo:
Yo creo que estas haciendo una gran contribucion a la cultura de los ingenieros con estos envios semanales. Lo del motor me encanto nunca les habia entendido bien a esa clase de motores y lo del desarrollo del traje Felix Baumgartner esta en los lindes de la ciencia. Mucho muy interesante. Felicidades!!!
Jose Manuel Mayagoitia H.
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El 15/12/12 09:30 a.m., Omar escribio:
Muy interesante, buen fin
Saludos...
Enviado desde mi Sony Ericsson Xperia mini
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El 15/12/12 11:22 a.m., Gustavo Viniegra G. escribio:
Estimado Arnoldo
Como siempre, nos sorprendes con tu cuidadosa edicion y la novedad de tus articulos.
Gracias y Felicidades.
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El 18/12/12 01:21 p.m., Ruben Barocio Ramirez escribio:
Recibido, muy estimado Arnoldo. Como todos tus envios este tiene informacion muy interesante relacionada con la ciencia, la tecnologia y la ingenieria. Muchas gracias.
Aprovecho la oportunidad para desear para ti y los tuyos una disfrutable temporada navidena y un aÃo 2013 pleno de salud y de satisfacciones personales y profesionales.
Un abrazo.
Ruben Barocio

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El 20/12/12 01:17 a.m., Eduardo Ramos Mora escribio:
Arnoldo,
Gracias por tu ultima entrega de "Solo para ingenieros".
Como te he comentado muchas veces, creo que este material deberia publicarse en algun periodico para que un publico mas amplio lo conciera.
Me parece que seria especialmente benefico para jovenes.
Saludos
Eduardo


Comentarios sobre el envio 120: ÂAgujeros cuadrados?...

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El 18/12/12 01:44 p.m., Ruben Barocio Ramirez escribio:
Recibido, estimado Arnoldo. Muchas gracias.
Un saludo cordial.
Ruben Barocio