agosto 06, 2017

Optogenética – La Gran Revolución del Estudio del Cerebro



La optogenética es como un mando a distancia para activar y desactivar neuronas

El cerebro es el sistema más complejo del universo. Hasta el punto que con las técnicas actuales se hace difícil avanzar en su conocimiento. Esa es la esencia del Proyecto Brain de Estados Unidos y del Proyecto del cerebro humano financiado por la Comisión Europea: buscar nueva técnicas que permitan a los neurocientíficos dar respuesta a cuestiones complejas como las enfermedades mentales, neurológicas o neurodegenerativas.

En esa línea la optogenética ha supuesto una revolución porque permite activar y desactivar circuitos neuronales en animales vivos y ver cómo cambia su comportamiento. Nacida de la óptica y la genómica, es una técnica prometedora para comprender mejor los traumas y las enfermedades neurodegenerativas y está causando furor en el mundo de la neurociencia actual, tanto que fue nombrada como “Técnica del año” por la revista Nature en 2010.

La optogenética es un avance científico del siglo XXI. Aunque es en 1999, en la Universidad de California en San Diego, cuando se proponen los primeros conceptos para su desarrollo, es entre los años 2002 y 2005 cuando varios investigadores comienzan a poner en práctica sus metodologías de forma completa. Sería primero Richard Fork y más tarde Rafael Yuste, quienes activaron las neuronas con el uso de la luz, pero Boris Zemelman en el año 2002 lo haría proyectando la luz sobre neuronas genéticamente sensibilizadas, y dar nacimiento a la Optogenética.

El verdadero artífice de esta revolución fue el bioingeniero y psiquiatra Karl Deisseroth, profesor de la universidad de Standford. Esta idea de poder manejar células y tejidos no habría podido llevarse a cabo sin el descubrimiento de lo que hoy en día se denominan opsinas, unas proteínas propias de microorganismos que son capaces de regular el flujo de carga eléctrica (mediante el movimiento de iones) a través de sus membranas en respuesta a la luz. En el año 2000, unas décadas después del descubrimiento de las primeras opsinas (bacteriorodopsina y halorodopsina) se consiguió aislar una nueva proteína de un organismo unicelular, el alga Chlamydomonas reinhardtii, a la que se le dio el nombre de  Channelrodopsina 2 (ChR2).

La invención de la optogenética aceleró enormemente el ritmo de los avances en la ciencia del cerebro. Pero los científicos estaban limitados por la dificultad de suministrar luz en el tejido cerebral de manera profunda. Ahora, microchips flexibles y ultra-finos, cada uno apenas más grande que una neurona, están siendo probados como dispositivos inyectables para poner los nervios bajo control inalámbrico. Pueden ser insertados profundamente en el cerebro con un daño mínimo al tejido adyacente.

La optogenética es una técnica que se usa para “encender” y “apagar” grupos de neuronas del cerebro. Este método combina la genética, la óptica y la virología con el fin de estudiar e incluso tratar algunas enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y el Alzheimer, o trastornos tan comunes como la ansiedad, el insomnio o la epilepsia.

Sin necesidad de electrodos, la optogenética implica un control muy sutil de los mecanismos neuronales. Esta novedosa técnica consiste en inyectar en escogidos grupos de neuronas un virus benigno que contiene proteínas foto-receptoras  denominadas opsinas  cuya información genética proviene de unas algas fotosensibles. Así las células neurales se vuelven sensibles a la luz. Las proteínas, que actúan como interruptores, encienden o apagan las neuronas en función de los destellos de luz enviados en mili-segundos mediante cables de fibra óptica. Esos haces luminosos pueden estimular o suprimir determinados pensamientos y recuerdos.

Insertando uno o más genes de opsina en determinadas neuronas en ratones, los biólogos están ahora en condiciones de utilizar luz visible para activar o desactivar neuronas específicas a su voluntad. Con el paso de los años, los científicos han adaptado versiones de estas proteínas para que respondan a distintos colores, que van del rojo oscuro, al verde, al amarillo, al azul. Al poner diferentes genes en diferentes células, utilizan pulsos de luz de varios colores para activar una neurona y luego varias de sus vecinas en una secuencia de tiempo precisa.

Un cerebro genéticamente modificado

Con el tiempo los expertos de optogenética esperan que esta técnica, además de perfeccionar nuestro conocimiento del cerebro sano, permitirá curar mejor el cerebro enfermo.

Entre las neuronas, algunas, las dopaminérgicas  liberan la dopamina  son las que se degeneran en la enfermedad de Parkinson; otras, las colinérgicas  liberan la acetilcolina  son importantes para la atención y la memoria y son las primeras a marchitarse en la enfermedad de Alzheimer; otras las serotoninérgicas  liberan serotonina  desempeñan un papel clave en el sueño y sus trastornos.

Con los métodos de la ingeniería genética utilizada en la optogenética, es muy posible focalizar, entre las 100 billones de neuronas, una u otra de estas poblaciones específicas. Por ejemplo, sólo las neuronas dopaminérgicas, relativamente poco numerosas. Y sobre-activarlas artificialmente a través de flashes luminosos, para aumentar su producción de dopamina, reduciendo los síntomas de la enfermedad de Parkinson.

La canalrodopsina-2 (ChR2): ingrediente clave de la optogenética

La canalrodopsina-2 (ChR2) es un canal en la membrana similar a los canales sodio que controlan los picos en las neuronas, con la diferencia de que la luz en la longitud de onda azul es la que lo abre, permitiendo que cualquier ion cargado positivamente lo atraviese. Por tanto, cuando la luz azul es proyectada sobre las neuronas que contienen ChR2, los iones de sodio, cargados positivamente, son capaces de entrar en la neurona antes de que otros canales en su membrana se abran. Esta carga añadida en el interior de la célula abre las compuertas para que incluso más iones de sodio puedan entrar y se tiene neuronas activas produciendo.

Cuando luz azul ilumina ChR2, éste se abre, permitiendo que los iones cargados positivamente atraviesen la membrana celular. Esto “activa” la neurona produciendo muchos potenciales de acción.

En 2003, un grupo de científicos en Alemania publicó un artículo en el que utilizaban con éxito una proteína sensible a la luz y procedente de algas verdes, la canalrodopsina (del inglés, channelrhodopsin) en células renales de mamífero en cultivo. Estos descubrimientos indicaban que quizás estas proteínas serian viables a la hora de expresarlas en neuronas.

Ed Boyden y Karl Deisseroth de la universidad de Stanford en 2005 consiguieron ChR2 del grupo de Alemania y comenzaron a perfeccionar la forma de llevar la proteína a las neuronas en una placa. Un solo gen era suficiente para hacer que la proteína fuera totalmente funcional, se expresaba en neuronas de mamíferos, y funcionaba en una escala temporal lo suficientemente rápida como para ser compatible con la comunicación neuronal.

Con el paso de los años extendieron las herramientas de la optogenética añadiendo proteínas, que al contrario de ChR2, inactivasen neuronas cuando se las excitaba con luz de una determinada longitud de onda. Hoy en día, existen muchas opsinas diferentes optimizadas genéticamente, como por ejemplo existe un set de opsinas “paso-función” (del inglés, step-function) que solo necesitan un breve pulso de luz para “encender o apagar” la neurona por un periodo de tiempo prolongado, esperando por otro pulso de luz que las devuelva a su estado normal.

Opsina paso-función
Se han logrado muchos avances, específicamente crear artificialmente otras proteínas similares a la ChR2, pero que actúan de diferentes maneras, por ejemplo desempeñando el papel de inhibidor en lugar de activador, reaccionando a los diferentes colores o con tiempos de respuesta modificados.

El avance más importante ha sido su aplicación en subgrupos de neuronas. La optogenética puede utilizarse para encender o apagar un área cerebral e identificar su papel en el comportamiento, pero también para enfocarse en tipos específicos de neuronas en una misma región cerebral.

Con los años, la modificación mediante la ingeniería genética de proteínas existentes, así como el descubrimiento de otras proteínas sensibles a la luz, han permitido que los investigadores tengan acceso a una gama de herramientas para el control de la activación de las neuronas.

Funcionamiento


Etapas para la aplicación de la optogenética al estudio del cerebro

La optogenética se basa principalmente en la inserción, en el cerebro, de los genes codificantes de una proteína foto-activa generalmente de origen bacteriano, llamada opsina.

El gen de una micro-alga que se utiliza para sintetizar la opsina, una proteína sensible a la luz, es aislado y modificado en laboratorio.

Este gen está asociado con un promotor, pequeño fragmento del ADN que permite limitar la activación a un determinado tipo de neurona; según el promotor solicitado, se apunta a una población específica de neuronas.

El conjunto se inserta en un virus desactivado, que, cuando se inyecta en el cerebro del conejillo de Indias, servirá como vector en su interior.

La optogenética permite controlar el ratón a distancia, gracias a una fibra óptica que emite directamente la luz en su cerebro.


La fibra óptica introducida en el cerebro envía un flash luminoso para hacer reaccionar las neuronas específicas después que éstas hayan fabricado  la opsina con ayuda del gen.

Al activarse para construir un recuerdo, las neuronas producen proteínas específicas que pueden ser etiquetadas mediante la ingeniería genética con otras proteínas emisoras de luz, de forma que las células neuronales se iluminen cuando empiecen a fabricar un recuerdo. Los científicos ven algo parecido a las luces en las ventanas de un edificio de oficinas de noche que insinúan la ubicación de los trabajadores en su interior.

Hay diferentes opsinas reaccionando a luces de diferentes colores; algunas activan la neurona, otras la inhiben.

Esta técnica tiene implicaciones reales y de gran importancia para el tratamiento de algunas patologías hoy en día todavía incurables entre las que cabe destacar:

* Ha servido para controlar ataques epilépticos en modelos animales experimentales.

* Al manipular las neuronas dopaminérgicas que forman parte del circuito de recompensa del cerebro, se ha podido potenciar o evitar la adicción a la cocaína o tratar a animales enfermos de Parkinson.

* El control neuronal del sueño y la vigilia ha podido ser manipulado a voluntad. La activación optogenética de unas neuronas llamadas hipocretinas interrumpe el sueño de un animal profundamente dormido, mientras que la inhibición optogenética de estas neuronas provoca un estado inmediato de sueño profundo en animales que estaban despiertos al momento de aplicar el estímulo luminoso. Estos hallazgos han sentado las bases para desarrollar fármacos que modulen el sueño y para el tratamiento de trastornos como la narcolepsia.

* Con la ayuda de métodos optogenéticos, se pudo activar selectivamente a un grupo de neuronas del hipotálamo. La activación de estas neuronas por sí solas fue suficiente para inducir apetito, incluso en animales saciados y sin necesidad de previo entrenamiento, demostrando que una conducta compleja como la alimentación puede ser controlada optogenéticamente. Por otra parte, la activación de otro grupo de neuronas, localizadas en la misma región del cerebro, reduce el apetito y produce pérdida de peso corporal en menos de 24 horas, lo que podría ser utilizado como futuro tratamiento para pacientes con obesidad.

* Si se produce una arritmia cardíaca, el corazón nuevamente puede bombear sangre al ritmo de la luz. De hecho, se ha desarrollado el primer marcapasos basado en la optogenética.

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La optogenética permite recuperar recuerdos perdidos

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), según un estudio publicado en la revista Science en mayo 2015, han sido capaces de etiquetar, en cerebros de ratones, las neuronas que almacenan un recuerdo y reactivarlas a voluntad con un rayo de luz azul.

El equipo se centró en intentar sintonizar la memoria con dos objetivos: borrar los malos recuerdos y mejorar las memorias positivas. Para lograrlo, se fijaron en un neurotransmisor específico del cerebro, la acetilcolina, una molécula que sirve de mensajero a nivel cerebral.

Los investigadores ha especulado de que en algún lugar de la red cerebral haya una población de neuronas que se activan durante el proceso de adquisición de la memoria, causando cambios físicos o químicos que la soportan.

Experimento optogenético
 realizado con ratones
Para averiguar si estos cambios químicos tienen lugar realmente, los investigadores identificaron primero un grupo de células engramáticas del hipocampo que, al ser activadas con las herramientas optogenéticas, fueran capaces de expresar un recuerdo.

Al registrar un acontecimiento en la memoria, se conectan entre sí neuronas en zonas especializadas en tareas diferentes del cerebro. La ruta de almacenaje de un recuerdo tiene dos vías: los datos neutros (dónde y qué sucedió) se guardan en el hipocampo, la cara interior del encéfalo; y el significado emocional, en la amígdala. La acetilcolina llegaría a la amígdala, donde las neuronas colinérgicas la recibirían para formar los recuerdos.

Los investigadores, entonces, intentaron descubrir qué sucede a los recuerdos sin este proceso de consolidación. Administraron un compuesto llamado anisomicina, que bloquea la síntesis proteínica dentro de las neuronas, inmediatamente después de que los ratones habían formado una nueva memoria, pudiendo evitar el fortalecimiento de las sinapsis.

Cuando los investigadores reactivaron las células engramáticas, con sus bloqueadas proteínas de síntesis, usando las herramientas optogenéticas, encontraron que los ratones mostraron todos los signos de recordar dicha memoria en su totalidad.

Para ahondar más en los mecanismos de este tipo de neuronas, los investigadores usaron un método de memoria basado en el miedo en ratones de laboratorio, ya que el miedo es un tipo de memoria emocional muy potente. Cuando aumentaban la liberación del neurotransmisor acetilcolina en la amígdala durante la formación de un recuerdo traumático, dicho recuerdo se reforzaba hasta dos veces más que un recuerdo normal. Por otro lado, si se disminuía la acetilcolina en la amígdala durante una experiencia traumática, eran capaces de acabar con la formación del recuerdo.

El equipo de científicos ha experimentado que un recuerdo puede sustituirse en el hipocampo, pero no en la amígdala, por lo que su valor emocional no podría borrarse. Sin embargo, estos investigadores han observado que las conexiones neuronales de ambas partes del cerebro se modifican al cambiar los recuerdos. Estas conclusiones se deben al trabajo aplicado en ratones, grabando y reproduciendo los recuerdos agradables con un haz luminoso sobre las neuronas y generando malos recuerdos mediante descargas eléctricas. Se ha comprobado que, si se le activa un recuerdo bonito, un ratón es capaz de quedarse en el lugar de la jaula que antes rehuía. Su actitud es opuesta a la de los ratones que asocian ese espacio con el mal recuerdo de la descarga.

Esta investigación ha permitido disociar los mecanismos de almacenamiento de la memoria de aquellos que permiten entrenarla y recuperarla. Esto demuestra que en algunas formas de amnesia la memoria del pasado tal vez no fue borrada, pero es simplemente 'inaccesible'. Estos trabajos proporcionan una luz sorprendente sobre la naturaleza de la memoria y estimularán más investigación sobre la biología de la memoria y su restauración clínica.

Una experiencia que arroja nueva luz sobre el mecanismo biológico de la amnesia y potencialmente abre el camino para los tratamientos. Esta investigación avanza la comprensión de la naturaleza de la amnesia.


El calcio revela las conexiones entre neuronas

Investigadores del Colegio Universitario de Londres (UCL) han elaborado un estudio, publicado en Nature Methods en diciembre 2016, sobre el almacenaje y la manipulación de la actividad cerebral que permite determinar qué neuronas contribuyen a una determinada función.

Su experimento, combina la optogenética con otro método de vanguardia neurotecnológica: el calcium imaging, que detecta la activación neuronal al incrementar la concentración de calcio cuando empiezan los impulsos nerviosos. El equipo ha utilizado un modulador espacial que divide la luz en un holograma consistente en pequeños haces que, por ejemplo, activan de manera simultánea seis neuronas implicadas en formar una cara sonriente.


Aplicaciones clínicas de la optogenética


Aunque la optogenética se utiliza fundamentalmente con ratones, se puede hacer una traslación a nivel básico: los ratones tienen muchas estructuras cerebrales semejantes a las humanas, aunque en el cerebro humano todo está ampliado y es más complejo.


Los experimentos optogenéticos se han multiplicado utilizando proteínas microbianas para controlar los movimientos de pequeños organismos como nematodos o moscas de la fruta. Su grado de perfeccionamiento ha sido insólito desde entonces.

En breve, la optogenética podrá utilizarse contra la ceguera, para tratar de devolver parte de la visión perdida con lesiones de retina. Su aplicación también podría sustituir los marcapasos cerebrales para el Parkinson, perfeccionar nuevas prótesis para la pérdida auditiva, revelar con más precisión el mecanismo responsable del sueño REM y mitigar la adicción en consumidores de cocaína.

La optogenética también explora emociones, sentimientos y patologías como la depresión y la ansiedad. Sin embargo, cuando se trata de estructuras como la corteza cerebral, la parte más evolucionada de nuestro cerebro y que nos da ventaja respecto a otras especies, los resultados obtenidos con animales son más difíciles de trasladar a nuestra especie.

La optogenética se utiliza en el campo de la robótica. Investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado en julio de 2015 un raybot, mitad robot mitad organismo, cuya trayectoria y puesta en movimiento son controladas por la optogenética. Constituido de un cuerpo de elastómero, de un esqueleto de oro capaz de almacenar energía elástica, el organismo está cubierto con células vivas del corazón de ratas modificadas genéticamente para ser fotosensibles. Expuestos a la luz, los cardiomiocitos se contraen y se accionan las aletas. Cada aleta se ajusta a un modelo específico de luz, que permite que el robot gire. Esta nueva tecnología hace presagiar varios beneficios positivos, particularmente en la ingeniería de tejidos. Aprender a estructurar y controlar las células del corazón podría conducir a la creación de corazones artificiales para el trasplante.

Sería posible hacer que las neuronas humanas sean fotosensibles especialmente con el uso de un vector viral inofensivo, diseñado para proporcionar temporalmente la opsina.


La optogenética inicia ensayos clínicos en humanos

La optogenética para terapias humanas está en las primeras etapas de su desarrollo. Desde que se publicaron los primeros trabajos sobre optogenética a mediados de la década pasada, algunos investigadores han especulado con el uso de la optogenética en pacientes, imaginando por ejemplo la posibilidad de tener un interruptor para controlar la depresión.

De momento la optogenética no está suficientemente desarrollada para utilizarla en el cerebro de las personas, ya que la técnica requiere introducir un cable de fibra óptica para llevar la luz al cerebro, un método que antes de aplicar a los humanos debe garantizar su seguridad.

Células del corazón
controladas por la luz
La técnica implicaría someter a los pacientes a procedimientos médicos altamente invasivos, como ingeniería genética para insertar interruptores moleculares en las neuronas, y enroscar una fibra óptica en el cerebro para activar dichos interruptores.

Ahora, los ensayos clínicos podrían ser posibles por primera vez debido a los avances tecnológicos significativos. El implante emisor de luz puede ser reemplazado por un parche, eliminando la necesidad de la cirugía invasiva. Y aunque los virus hayan facilitado la manipulación genética en humanos, todavía no es perfecto. Pronto, nuevas herramientas de modificación genética como CRISPR (genes de ADN que contienen repeticiones cortas de secuencias de bases) podría proporcionar la solución más elegante hasta la fecha, pero sólo si los funcionarios simplifican las regulaciones que rodean el uso de CRISPR en seres humanos.

En noviembre 2015, Circuit Therapeutics anunció que había recibido un contrato de DARPA para usar la optogenética para tratar el dolor crónico. Los tratamientos para esa condición probablemente serán los primeros en ser probados en ensayos clínicos. Si los experimentos van bien, el tratamiento podría estar disponible en una década, abriendo la puerta a la optogenética para ser utilizada en tratamientos clínicos para una serie de otras condiciones.

El objetivo, explicó el bioquímico y médico Karl Diesseroth, es comenzar otros ensayos en ciertas formas de dolor superficial originadas por el sistema periférico, como los dolores causados por la diabetes o el dolor posquirúrgico, o los dolores provocados por trastornos intestinales o del movimiento.

Se puede comenzar ensayos clínicos con optogenética para tratar el dolor crónico, porque sería una terapia menos invasiva que las que requieren implantación de electrodos dentro del cerebro. Las neuronas afectadas por dolor crónico son relativamente accesibles, ya que residen dentro y justo por fuera de la médula espinal, y son mucho más fáciles de manipular que el cerebro. Incluso se puede actuar sobre las terminaciones nerviosas de la piel, que son todavía más fáciles de alcanzar.

El reto principal que afrontan las terapias de optogenética es cómo insertar los genes que produzcan canales de opsina en las neuronas humanas adultas.

El segundo obstáculo es cómo iluminar las neuronas que llevan los canales opsina, de manera que se encienda o apague el circuito cerebral deseado. En humanos suministrar luz directamente al cerebro requeriría cirugía mayor, pero silenciar las neuronas periféricas que transmiten el dolor sería mucho menos invasivo. Aunque las neuronas fuera del cerebro son más accesibles, también son difíciles de activar con luz, porque un dispositivo emisor rígido podría dañar el delicado tejido nervioso.

La optogenética puede devolver la vista a personas ciegas

Neurocirujanos del centro RetroSense Therapeutics en Michigan prueban por primera vez en humanos, en febrero 2016, una nueva técnica de optogenética que puede devolver la vista a las personas ciegas que tienen la retina dañada.

El método se ha probado con éxito en ratones y monos. Si tiene éxito también con humanos, supondría la cura de un tipo de ceguera conocida con el nombre de retinitis pigmentosa, una degeneración de las células de la retina sensibles a la luz, causando la pérdida de la visión periférica y nocturna y, con el tiempo, la ceguera total.

Los médicos de RetroSense Therapeutics van a insertar el virus con el gen sensible a luz en las neuronas que hay en los ojos, encargadas de retransmitir la luz desde la retina al cerebro. El objetivo es saltarse la retina y llevar la información que genera la luz directamente desde las células modificadas con el virus, al cerebro.

Los primeros 15 pacientes que van a recibir este tratamiento no están completamente ciegos, pero apenas pueden distinguir objetos que tienen delante de la cara. Si la optogenética tiene éxito esperan que puedan ver también objetos de la periferia, e incluso leer letras grandes.

La gran duda ahora es saber realmente cómo será esa visión recuperada por los pacientes. Puesto que la proteína introducida por el virus sólo reacciona a un tipo de luz, lo más probable es que los pacientes sólo puedan ver en monocromo. Por eso esperan ansiosos los resultados.


Premio  Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento: A los impulsores de la optogenética

El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Biomedicina ha recaído (enero 2016) en los neurocientíficos Edward Boyden, Karl Deisseroth y Gero Miesenbök, por desarrollar y perfeccionar la técnica que utiliza la luz para activar o desactivar las proteínas en las neuronas,  con una precisión sin precedentes. La Fundación BBVA reconoce la optogenética, el control de las neuronas con luz.

Edward Boyden, Karl Deisseroth y Gero Miesenbök
Los galardonados han destacado cómo el mejor conocimiento sobre los circuitos neuronales implicados en enfermedades permitirá desarrollar fármacos mucho más específicos que los actuales  compuestos que actúen directa y específicamente sobre esos circuitos , ya que es un grado de precisión en el tratamiento de la enfermedad mental o neurológica muy superior al que se tiene hoy.

Desde el desarrollo de esta técnica, miles de investigadores han utilizado la optogenética para investigar funciones como el sueño, el apetito, la toma de decisiones, la percepción del tiempo o la formación de recuerdos, así como para comprender enfermedades como la epilepsia, el Parkinson, la depresión o incluso algunas formas de ceguera.

También se ha querido reconocer a los tres galardonados su capacidad por dar a conocer y distribuir esta técnica para que científicos de todo el mundo puedan tener acceso a él y utilizarlo en sus investigaciones.

Publicaron su trabajo en 2005, y desde entonces la técnica ha seguido mejorándose, por ejemplo con proteínas que reaccionan a distintas velocidades y a diferentes tipos de luz, lo que amplía la variedad de funciones cerebrales que pueden ser estudiadas.

En 2013, el prestigioso Brain Prize ha sido otorgado a los seis inventores de la optogenética, Ernst Bamberg, Edward Boyden, Karl Deisseroth, Peter Hegemann, Gero Miesenböck y Georg Nagel por la invención y el desarrollo de la optogenética.

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El cerebro humano se compone de unas 100.000 millones de neuronas. Éstas son las encargadas de transmitir la información que nos define, así como nuestra conducta: nuestras reacciones psicológicas y forma física (actúan sobre el sistema motriz). Así que encontrar un mecanismo por el cuál podamos acceder y “controlar” su funcionamiento nos abre infinitas posibilidades, no sólo para el tratamiento de enfermedades, sino a infinitos campos relacionados con nuestra memoria individual y colectiva, nuestra psiquis en general.

Aunque haya surgido a mediados de la década del 2000, la optogenética ya ha renovado profundamente el paisaje de Neurociencias. Moscas con vinagre, ratón y pez cebra han sido designados voluntarios, con resultados asombrosos.


La optogenética no es más peligrosa que otros métodos. Biólogos y médicos han tenido durante mucho tiempo la capacidad de cambiar comportamientos a través de intervenciones farmacológicas, eléctricas y ambientales, por lo que la optogenética no plantea cuestiones éticas nuevas en lo fundamental. Las limitaciones técnicas que la optogenética para su uso en humanos, la hacen de momento inviable, es porque se requiere el uso de virus para inyectar la proteína sensible a la luz en las neuronas que quieren manipularse.

Además de las perspectivas de beneficios en el tratamiento de enfermedades neurológicas y la creación de órganos artificiales, la optogenética, como otros modificadores neuronales, abre toda una serie de cuestiones éticas relacionadas con el control y la modificación de la memoria, de los recuerdos.

El potencial de esta técnica es tal que no sólo ayuda a comprender la personalidad y las emociones, sino también a encontrar el origen de la agresividad y a propiciar terapias específicas para distintas enfermedades mentales.


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julio 30, 2017

Efectos de la Meditación en la Estructura del Cerebro





Hasta hace apenas unas décadas, la meditación era vista como una práctica para gente extraña, que tenía más que ver con religión que con bienestar. Gracias a una mayor difusión de la información y a la apertura mental de muchos sectores de Occidente, hoy sabemos que meditar no es una actividad necesariamente mística, sino una práctica de encuentro y armonización en nuestro cuerpo y nuestra mente.

Desde hace un par de décadas, los trabajos científicos en este campo se han multiplicado gracias a las técnicas de neuroimagen. Esta tecnología permite observar los cambios en las estructuras neuronales provocados por la meditación.

La meditación no es una práctica muy usual, algunas personas la ven como una pérdida de tiempo o simplemente no han tenido la oportunidad de practicarla como es debido. El estrés, ocasionado por las prisas, el trabajo y los diferentes obstáculos que nos pone el día a día se llega a acumular hasta medidas para nada saludables, haciéndonos más vulnerables a enfermedades y trastornos y con ello empeorando nuestro ritmo de vida.

Los efectos de la meditación han resultado tan positivos que científicos de todo el mundo la han convertido en objeto de investigación. Se ha podido probar que ejerce grandes beneficios sobre la salud física y el equilibrio de las emociones. Por eso hoy día está siendo empleada en varios tratamientos.

La meditación es la práctica de un estado de concentración sobre algo concreto: un pensamiento, un objeto externo o la propia conciencia.

Pero esta práctica milenaria de origen budista es mucho más que una manera de relajarse y reducir el estrés. La meditación regula la atención, una capacidad cognitiva que influye en otros procesos mentales como el aprendizaje.

El cerebro es plástico y está en cambio constante. Hábitos como la meditación varían la comunicación entre neuronas y modifican ciertas estructuras neuronales.

A grandes rasgos, su práctica parece aumentar la capacidad de atención, concentración y aprendizaje. También mejoraría la memoria y el sistema inmunológico de los individuos. Además, su práctica sosiega y mejora la empatía con los demás.


Funcionamiento del cerebro durante la meditación

La meditación incrementa algunas habilidades cognitivas como la atención, la memoria y la concentración. Esos efectos también pueden lograrse mediante otras actividades intelectuales como la lectura y los llamados “juegos mentales” (rompecabezas, sopas de letras, etc.).

Izquierda: cerebro estresado
Derecha: cerebro en meditación
La diferencia entre meditar y realizar juegos de destreza mental estriba en que la meditación (así como la lectura) ejerce grandes efectos también en el plano emocional. La meditación consigue disminuir notoriamente los síntomas de estrés y depresión. Les permite a las personas sentirse más serenas y les provoca una sensación de mayor felicidad.

La meditación hace gran énfasis en el momento presente. Busca que una persona salga del pasado o del futuro y se concentre en el instante actual, para experimentarlo plenamente. Esto induce a actitudes positivas, ya que muchas de las neurosis tienen su origen precisamente en el peso de lo que ya ocurrió, o la incertidumbre por lo que puede venir.

Con la meditación el cerebro cambia su manera de funcionar. Hay mayor frecuencia en la producción de ondas Alfa y, después de un tiempo de práctica, se generan ondas Gamma. A largo plazo también hay modificaciones a nivel de los neurotransmisores: se produce menos glutamato, un elemento que favorece la excitación nerviosa. También se ha comprobado que aparece una mayor conectividad neuronal.

Las ondas Alfa son características de los estados psicológicos de tranquilidad y felicidad. Cuando el cerebro funciona en esta frecuencia es más difícil que se den gripes, enfermedades cardiovasculares y cáncer. También hace más resistente todo el aparato inmunológico.

Por todo ello la meditación cambia tanto la estructura como el funcionamiento del cerebro, además de tener beneficios en el plano emocional.


A nivel hormonal, los científicos han visto que la meditación reduce los niveles de cortisol en sangre. El carácter neurotóxico de esta sustancia relacionada con el estrés disminuye la capacidad de memorización y de aprendizaje.

Los expertos calculan que entre 10 y 30 minutos de meditación al día son suficientes para regular las emociones y mejorar la capacidad de atención, concentración, la memoria y el proceso de toma de decisiones. En definitiva, mejorar el bienestar.

Modificaciones en el cerebro

La meditación modifica 5 grandes áreas del cerebro mejorando la cognición, la capacidad de empatía, reduciendo el estrés

1. La principal diferencia ocurre en el cingulado posterior, el cual está involucrado en la divagación mental y la relevancia del yo.

2. También en el hipocampo izquierdo, que asiste en el aprendizaje, la cognición, la memoria y la regulación emocional.

3. Asimismo, en la intersección temporo-parietal, asociada a la toma de perspectiva, la empatía y la compasión.

4. Igualmente, en un área del tronco cerebral llamado Pons, en el cual se producen varios neurotransmisores regulatorios.

5. Y finalmente en la amígdala, el área asociada a la respuesta de huir y luchar, clave en la ansiedad, el miedo y el estrés.


Investigación

Meditar aumenta el número de pliegues en la corteza cerebral

En un estudio realizado por investigadores de la Universidad de California, publicado en Frontiers in Human Neuroscience en marzo 2012, se encontró que los que practican meditación por largo tiempo tienen más pliegues o circunvoluciones en la corteza cerebral.

En un estudio anterior,  los investigadores habían evidenciado que la meditación prolongada aumenta el volumen del cerebro y fortalece las conexiones entre las células cerebrales. Ahora el nuevo informe, sugiere que otro de los beneficios, es la cantidad de pliegues que se ha asociado a la inteligencia, aunque no se ha encontrado una relación causal.

Los investigadores tomaron escaneos de imágenes por resonancia magnética (IRM) de 50 personas que practican meditación y 50 personas de control que no practican meditación. Encontraron que no sólo los que practican meditación tienen más pliegues sino que los que han meditado por más años tienen aún más pliegues en la corteza cerebral.

Además descubrieron que la correlación positiva con el número de años de meditación se observa especialmente a nivel insular.

Se piensa que la ínsula  una estructura del cerebro humano  en la corteza actúa como un centro para las funciones autonómicas afectivas y de integración cognitiva.


La meditación reduce el impacto emocional del dolor

Científicos de la Universidad de Manchester, en un estudio publicado en la revista médica Pain en 2010, descubrieron que las personas que meditan regularmente tienen una sensación menos desagradable del dolor porque sus cerebros anticipan menos el dolor, lo que disminuye su impacto emocional.

Después de evaluar voluntarios con varios grados de experiencia con la meditación, desde practicantes principiantes hasta los maestros con décadas de meditación, constataron que los meditadores más avanzados alcanzan un nivel suficiente para sufrir menos con el dolor.

El equipo descubrió que determinadas áreas del cerebro se quedan menos activas cuando los meditadores anticipan el dolor que, durante el experimento, era inducido por un pequeño láser. Aquellos con más experiencia y años en meditación presentaron la menor expectativa del dolor.

El estudio también reveló que las personas que meditan presentan una actividad poco común en la corteza pre-frontal durante la anticipación del dolor; una región del cerebro conocida por estar vinculada en el control de la atención y con los procesos de pensamiento cuando la persona se encuentra ante amenazas potenciales.

Los resultados del estudio confirman que la meditación entrena el cerebro para tener más enfoque en lo positivo y, con ello, gasta menos tiempo anticipando futuros eventos negativos. Puede ser por ello que la meditación es eficaz en reducir la recurrencia de la depresión, que vuelve el dolor crónico considerablemente peor.


Meditar aumenta la materia gris del cerebro

De acuerdo con investigadores de la Universidad de California, en un estudio publicado en la revista Frontiers in Psychology en 2009, meditar podría ralentizar la pérdida de la materia gris  el tejido que contiene las neuronas y ejecuta casi la totalidad de los pensamientos conscientes  relacionada con la edad.

Los investigadores utilizaron imágenes de resonancia magnética de alta resolución para escanear el cerebro de 50 personas que habían meditado por años y 50 que no lo hicieron. El grupo de los participantes que meditaban estaba formado por 28 hombres y 22 mujeres de entre 24 y 77 años de edad que la habían practicado entre 4 y 46 años, con una media de 20 años.

Si bien, ambos grupos mostraron una pérdida de materia gris a medida que envejecían, también se descubrió que el volumen de la materia gris del cerebro de las personas que meditaban no disminuyó tanto en comparación con quienes no la realizaban. Se observó un efecto generalizado de la meditación que abarcaba todas las regiones a través del cerebro.

Si bien, los investigadores reconocen que no se puede establecer una conexión directa entre la meditación y la preservación de la materia gris en el cerebro, toda vez que existen otros factores que pueden entrar en juego, incluyendo el estilo de vida, los rasgos de personalidad y las diferencias genéticas, aseguran que los resultados son prometedores.

La acumulación de pruebas científicas de que la meditación tiene capacidad de alterar el cerebro en última instancia podrían permitir una traducción efectiva de la investigación a la práctica, no sólo para conseguir un envejecimiento saludable, sino también para combatir el envejecimiento patológico.


La meditación modifica el cerebro

La doctora Sara Lazar, neurocientífica del Hospital General de Massachussetts y de la Facultad de Medicina de Harvard, realizó en 1994 un estudio en Boston, con la finalidad de comprobar si la meditación y otras prácticas contemplativas como el Yoga producían algún tipo de modificación en el cerebro. Para ello, reunió a un grupo de personas, las cuales no practicaban ninguna de estas disciplinas, y les hicieron seguir un programa de meditación de forma constante.

Después de tres meses compararon a través de escáneres cerebrales si había habido algún cambio significativo con respecto a otro grupo de personas con las mismas condiciones sociales y demográficas. Los resultados fueron que en el grupo que había llevado a cabo las meditaciones podía apreciarse lo siguiente:

* Un aumento del tamaño de la materia gris en algunas zonas del cerebro, entre ellas las zonas pre-frontales relacionadas con la memoria funcional y los procesos de toma de decisiones.

* En individuos de más de cincuenta años parecía que la meditación ayudaba a prevenir o retrasar el envejecimiento de determinadas estructuras corticales del cerebro.

* Pudieron apreciarse cambios significativos en la unión temporo-parietal, relacionada con la perspectiva, la empatía y la compasión.

* Disminución de la materia gris en la amígdala, encargada de la generación de estrés.

En un siguiente experimento, la investigadora estudió la actividad cerebral de personas que nunca antes habían meditado y que durante 8 semanas, por 40 minutos al día, participarían en un programa de atención plena orientado a reducir el estrés. La idea era comparar funciones básicas y complejas cerebrales antes y después del período de 8 semanas.

Se encontró que incluso en un período tan breve, el cerebro de las personas en ese segundo grupo tuvo cambios significativos para bien en varias regiones y funciones esenciales del cerebro:

* La corteza cingulada posterior, asociada con la divagación y la importancia de sí.

* El lado derecho del hipocampo, asociado con el aprendizaje, la cognición, la memoria y la regulación de las emociones.

* La juntura temporo-parietal, en donde se procesan la toma de perspectiva, la empatía y la compasión.

* El puente tronco-encefálico, en donde se produce una buena cantidad de los neurotransmisores con los que funciona nuestro cerebro.

* La amígdala, que algunos consideran fuera del cerebro, también se redujo como consecuencia de la meditación, lo cual se ha relacionado con la disminución de emociones como la angustia, el miedo y la tensión.

Los estudios concluyen que las personas que practican meditación aumentan la densidad de materia gris en estructuras cerebrales implicadas en el aprendizaje, la memoria, la regulación de las emociones y la empatía. En cambio, la materia gris decrece en otras zonas como la amígdala, que se encarga de respuestas fisiológicas relacionadas con el miedo y el estrés.

Además, la meditación disminuye el ritmo de adelgazamiento progresivo del córtex pre- frontal, que influye en comportamientos complejos como la toma de decisiones. Este freno natural al desgaste cognitivo asociado a la edad es especialmente interesante para las personas mayores. En relación con los niños, la meditación es una práctica que puede mejorar su atención y creatividad.


Los efectos de la meditación

La práctica de la meditación conduce a obtener un cierto grado de interiorización que resulta saludable para el cuerpo, la mente y el espíritu.

La meditación es a la vez un medio y un fin en sí misma; es un medio para ayudar a mejorar la salud física y psíquica, y un fin en cuanto propende a la elevación espiritual al permitir un acercamiento a la conciencia trascendente.

Un ejercicio de meditación comienza siempre con un ejercicio de armonización corporal mediante la relajación física, mental y la respiración. En esta fase el meditador se va distanciando gradualmente de las circunstancias del mundo exterior, que actúan como estímulos sobre el organismo provocando tensiones, y mediante la concentración comienza a cultivar la sensibilidad hacia su realidad interior.

El efecto más notable de la meditación es posiblemente el que se produce sobre las ondas cerebrales, que ha sido estudiado a través de electroencefalogramas. El cerebro emite ondas de distinta frecuencia que varían en los distintos estados de conciencia.

¿ Qué sucede en el cerebro ?

Normalmente en estado de vigilia, cuando los sentidos están volcados al exterior y en actitud de alerta, las ondas cerebrales se hallan normalmente en la frecuencia beta, con diferencias entre ambos hemisferios y entre las zonas anterior y posterior del cerebro.

Durante la meditación este panorama cambia totalmente. Apenas comienza la sesión, aparece un gran aumento de la actividad alfa, que corresponde al estado de relajación y se registra especialmente en los momentos previos al sueño; a continuación aumenta la amplitud de las ondas alfa y se observa una sincronización mayor entre los dos hemisferios y entre las zonas anterior y posterior del cerebro, provocando una sensación de integración entre el cuerpo y la mente.

Cuando la meditación se profundiza es posible llegar a la actividad theta, que es la que aparece durante el sueño y se caracteriza por la memoria plástica, mayor capacidad de aprendizaje, fantasía, imaginación e inspiración creativa.

¿ Qué sucede en el cuerpo ?

El estado de meditación también produce efectos fisiológicos. Disminuye el ritmo cardiaco, baja la tensión sanguínea y se reduce la absorción de oxígeno, todas funciones controladas por el sistema nervioso autónomo, que es el que dirige los procesos involuntarios.

El organismo entra en un estado de reposo más profundo que durante el sueño normal, lo que ayuda al mejoramiento de las facultades cognitivas y de la percepción.

¿ Qué sucede en la psiquis ?

La meditación produce efectos psicológicos positivos, tanto a corto como a largo plazo. En el corto plazo nos brindará sensación de paz interior y bienestar general. Y si mantenemos el hábito de meditar regularmente, a largo plazo, sentiremos mayor satisfacción y productividad en el estudio y en el trabajo, así como mayor facilidad para despertar nuestra creatividad.


Las personas que practican meditación con frecuencia y consumen psicofármacos, para la depresión, el insomnio o la ansiedad, podrán disminuirlos gradualmente hasta incluso, abandonarlos por completo.

Generalmente, la meditación se practica en un ambiente silencioso, en posición confortable. Las sesiones varían en duración y número de ocasiones en que se practica cada día. Se recomienda que se medite a la misma hora, cada día.

La meditación de respiración consiste en enfocarse en el proceso de inhalación y exhalación. Los ejercicios de respiración profunda que se enseñan en las clases prenatales son una variación de este tipo de meditación; contar mientras se respira puede ofrecer un foco meditativo.

Todos estos efectos han sido comprobados en estudios médicos, no se trata únicamente de sensaciones subjetivas sino de una reacción positiva del organismo. En todo el mundo se está generalizando la práctica de la meditación; hay médicos que la recomiendan a sus pacientes, y entrenadores que la aconsejan a los deportistas para mejorar su rendimiento.