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Edward Boyden

PREMIO FRONTERAS DEL CONOCIMIENTO

Biomedicina

VIII edición

Los neurocientíficos Edward Boyden del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Karl Deisseroth de la Universidad de Stanford y Gero Miesenböck de la Universidad de Oxford, galardonados por desarrollar la optogenética, que usa la luz para conocer el funcionamiento del cerebro y modificarlo.

MENCIÓN DEL ACTA

El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Biomedicina, en su octava edición, ha sido concedido a Edward Boyden, Karl Deisseroth y Gero Miesenböck por los avances en optogenética —el uso de proteínas modificadas genéticamente que se activan mediante la luz para modular la actividad neuronal— como método para estudiar la función cerebral con una resolución sin precedentes.

La función cerebral depende de las interacciones de grupos específicos de neuronas interconectadas, en cierto modo similar a los circuitos electrónicos. Desde hace tiempo se sabía que para comprender la función de los circuitos cerebrales sería preciso el desarrollo de una tecnología que hiciese posible controlar selectivamente neuronas individuales sin afectar la actividad de otras neuronas.

La optogenética es precisamente esta tecnología, pues permite activar e inactivar neuronas de animales vivos y, en consecuencia, se puede emplear para establecer lazos causales entre la función de circuitos neuronales específicos y comportamientos distintivos. El premio reconoce las aportaciones de tres científicos eminentes.

Gero Miesenböck utilizó originalmente una combinación de tres proteínas de la mosca de la fruta para posibilitar la excitación con luz de neuronas de vertebrados. Aunque este sistema tenía limitaciones, representa el avance conceptual que lanzó el uso de la optogenética para obtener información acerca de circuitos neuronales.

Edward Boyden y Karl Deisseroth fueron pioneros en el uso de una familia distinta de proteínas sensibles a la luz, las canalrodopsinas derivadas de las algas, para manipular la actividad de las neuronas. Este sistema, y sus posteriores modificaciones, ha revolucionado el estudio de la función cerebral y actualmente es empleado por neurocientíficos de todo el mundo.

BIOGRAFÍA

Edward Boyden (Plano, Texas, Estados Unidos; 1979) se graduó en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, y en Física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), y se doctoró en Neurociencias en la Universidad de Stanford, donde trabajó con Deisseroth. En 1996 se incorporó como investigador al MIT, donde ha desarrollado toda su carrera profesional, docente e investigadora.

Allí es catedrático del Departamento de Ingeniería Biológica, y del de Cerebro y Ciencias Cognitivas y dirige el grupo de investigación de Neurobiología Sintética, encargado del desarrollo de herramientas para el mapeo, el control, la observación, y la construcción de circuitos dinámicos del cerebro. Además es investigador en el MIT McGovern Institute for Brain Research y el de catedrático asociado en el MIT Media Lab. Desde 2014 también codirige el Centro de Ingeniería Neurobiológica.

CONTRIBUCIÓN

Discurso

Biomedicina VIII edición

La optogenética es una técnica que permite controlar con luz el comportamiento de un animal vivo. Como en esta escena: el ratón de laboratorio está tranquilamente en su caja, aunque con un cable de fibra óptica saliendo de su cabeza; se enciende una luz y el animal empieza a correr; se apaga la luz, y se para. Para apreciar la importancia del experimento hay que saber que la fibra óptica está llevando la luz a la región del cerebro que controla el movimiento, donde reaccionan solo algunas neuronas específicas.

Con la misma estrategia se puede actuar sobre la memoria, el miedo, la adicción, la depresión, la epilepsia, el párkinson… La optogenética existe en su versión actual desde hace apenas una década, y ya la usan miles de laboratorios. No son pocos los neurocientíficos maravillados ante una técnica que aporta, según han dicho, exactamente lo que necesitaban, pues permite una precisión sin precedentes en la investigación del cerebro vivo. Hace posible contemplar, seriamente, la posibilidad de hallar qué circuitos cerebrales participan en qué comportamiento y aspirar a mejorar de forma significativa el tratamiento de la enfermedad mental.

Los investigadores dicen que la optogenética les hace no solo ser más ambiciosos, sino pensar diferente sobre el cerebro. Los neurocientíficos Edward Boyden, Karl Deisseroth y Gero Miesenböck, creadores de la optogenética, son los ganadores del Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Biomedicina.

La historia de su trabajo para desarrollar la optogenética tiene elementos sorprendentes. Por ejemplo, ¿cómo algo tan bien acogido por la comunidad pudo ser inicialmente rechazado por agencias de financiación y revisores? O también: ¿Cómo áreas de conocimiento tan distantes como el estudio de microrganismos en agos salinos, la física de la luz y la genómica han llegado a cruzarse para generar una técnica capaz de estudiar el cerebro? El punto de partida es la necesidad acuciante de neurotecnología.

Francis Crick, uno de los descubridores de la estructura del ADN, ya dijo hace décadas que solo una herramienta que permita el control de neuronas específicas en su tiempo natural de funcionamiento —milisegundos— permitirá entender cómo de una estructura biológica emergen la personalidad, la imaginación, el sufrimiento o la curiosidad. Crick escribió: “la señal ideal sería la luz (…) Parece muy lejano, pero es concebible que los biólogos moleculares consigan que un tipo celular sea sensible a la luz”. El primer hallazgo en la genealogía de la optogenética data de principios de los setenta, cuando un bioquímico alemán descubrió en bacterias que viven en lagos salinos una proteína capaz de convertir luz en electricidad en un único paso bioquímico.

Es una opsina, una familia de proteínas sensibles a la luz también presentes en la retina humana, aunque las opsinas de los mamíferos no generan electricidad tan directamente sino desencadenando una cascada de moléculas secundarias. El capítulo siguiente en la historia une ya las opsinas con la neurociencia. A finales de los noventa Gero Miesenböck (Braunau, Austria; 1965), hoy catedrático de la Universidad de Oxford (Reino Unido), quería visualizar la actividad de las neuronas empleando proteínas sensibles a la luz. Una tarde de sábado tuvo la idea: “¿No sería increíble poder controlar la actividad del cerebro además de leerla?”.

En 2002 Miesenböck demostró que sí se puede controlar las neuronas con luz. Lo hizo con células en cultivo, no en vivo, pero advirtió enseguida “que era una tecnología con un enorme potencial”. Miesenböck había introducido el gen de las opsinas microbianas en el ADN de las neuronas, que así, al ser iluminadas, respondían como las bacterias de los lagos salinos: disparando una señal eléctrica. El método de Miesenböck, sin embargo, tenía inconvenientes técnicos que dificultaban su aplicación a gran escala.

Los estadounidenses Karl Deisseroth (Boston, Estados Unidos; 1971) y Edward S. Boyden III aportarían la solución. Deisseroth es hoy catedrático en la Universidad de Stanford, y Boyden investigador en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). En 2004 trabajaban juntos en la Universidad de Stanford y llevaban años intentando cumplir la predicción de Crick. Habían sabido del hallazgo, un año antes, de un nuevo tipo de opsina en un alga verde y decidieron usarla.

Los retos eran muchos: los genes de las opsinas podían no expresarse lo bastante en las neuronas, la luz podía no llegar al punto adecuado en el cerebro… Solo su gran motivación, y el hecho de que los Institutos Nacionales de Salud estadounidenses cuenten con un programa específico para ideas muy arriesgadas, les hizo seguir adelante. Su audacia se vio recompensada. Ya la primera prueba de concepto, con una única célula de rata, funcionó mejor de lo que Deisseroth y Boyden esperaban, que sin embargo vieron cómo las revistas ‘Science’ y ‘Nature’ rechazaban publicar el trabajo al dudar de que pudiera aplicarse a organismos vivos.

Una década después la impresión general es que la optogenética apenas ha empezado a mostrar su poder. Los galardonados resaltan que su utilidad es ante todo básica: la optogenética sirve, en primer lugar, para estudiar el cerebro. Miesenböck la está usando para investigar el sueño y la toma de decisiones. Boyden sigue perfeccionando aspectos tecnológicos. Y Deisseroth, que además de neurocientífico es psiquiatra, querría que acabase siendo útil para aliviar el sufrimiento asociado a la enfermedad mental.