Loptogenètica és una tècnica biològica emprada per controlar l'activitat de neurones o altres tipus de cèl·lules mitjançant l'ús de la llum. A través de l'expressió de canals iònics, bombes o enzims fotosensibles en les cèl·lules d'interès, l'optogenètica permet un control precís de les vies de senyalització bioquímica neuronal. En neurociència de sistemes, aquesta tècnica s'ha utilitzat per estudiar el paper de neurones específiques en la presa de decisions, l'aprenentatge, la memòria de la por, l'aparellament, l'addicció, l'alimentació, i la locomoció. En la seva primera aplicació clínica, la tecnologia optogenètica va permetre restaurar parcialment la visió d'un pacient amb ceguesa provocada per una retinosi pigmentària.
També s'han introduït tècniques optogenètiques per cartografiar la connectivitat funcional del cervell. Mitjançant l'alteració de l'activitat de neurones modificades genèticament a través d'estimulació lumínica, i emprant tècniques d'imatge i electrofisiologia per enregistrar l'activitat d'altres cèl·lules, els investigadors poden identificar dependències estadístiques entre cèl·lules i regions cerebrals.
El 2010 l'optogenètica va ser escollida com el "Mètode de l'any" per la revista de recerca Nature Methods.Primer on Optogenetics: Editorial: Commentary: El mateix any, un article sobre "Avenços de la dècada" a la revista de recerca acadèmica Science va destacar l'optogenètica.
Descripció miniatura|Figura 1. La Canalrodopsina-2 (ChR2) indueix una activitat impulsada per la llum blava temporalment precisa en neurones corticals prefrontals prelímbiques de rata. a) Esquema in vitro (esquerra) mostrant l'administració de llum blava i l'enregistrament de l'activitat evocada per llum a partir d'una neurona piramidal fluorescent que expressa CaMKllα::ChR2-EYFP (dreta) mitjançant un mètode de pinçament de cèl·lules senceres en un tall de cervell agut. b) Esquema in vivo (esquerra) mostrant l'administració de llum blava (473 nm) i l'enregistrament d'una sola unitat. (a baix a l'esquerra) Tall coronal del cervell que mostra l'expressió de CaMKllα::ChR2-EYFP a la regió prelímbica. La fletxa blava clara mostra la punta de la fibra òptica; la fletxa negra mostra la punta de l'elèctrode d'enregistrament (esquerra). Barra blanca, 100μm. (a baix a la dreta) Enregistrament de llum in vivo de neurona cortical prefrontal en una rata CaMKllα::ChR2-EYFP transduïda que mostra un pic evocat per llum a 20 Hz. Lliurament de polsos de llum blava a Hz (dreta). Inserció, resposta d'una sola unitat evocada per la llum representativa. miniatura|Figura 2 . L'Halorodopsina (NpHR) silencia de manera ràpida i reversible l'activitat espontània in vivo a l'escorça prefrontal prelímbica de rata. (A dalt a l'esquerra) Esquema mostrant el verd in vivo (532 nm) l'administració de llum i registre d'una sola unitat d'una neurona piramidal que expressa CaMKllα::eNpHR3.0-EYFP espontàniament activa. (Dreta) Exemple de traça que mostra que 532 continua. La il·luminació nm inhibeix l'activitat d'una sola unitat in vivo . Inserció, esdeveniment unitari representatiu; Barra verda, 10 segons. miniatura|Un nematode que expressa el canal iònic fotosensible Mac. Mac és una bomba de protons aïllada originalment al fong Leptosphaeria maculans i ara expressada a les cèl·lules musculars de C. elegans que s'obre en resposta a la llum verda i provoca una inhibició hiperpolaritzant. Cal destacar l'extensió de la longitud corporal que experimenta el cuc cada vegada que s'exposa a la llum verda, que presumiblement és causada pels efectes relaxants musculars de Mac. miniatura|Un nematode que expressa ChR2 en el seu grup muscular gubernacular-oblic que respon a l'estimulació per llum blava. L'estimulació de la llum blava fa que els músculs gubernaculars-oblics es contraguin repetidament, provocant empentes repetitives de l' espícula, tal com es veuria naturalment durant la còpula. L'optogenètica permet l'alteració de l'activitat neuronal amb una precisió temporal de l'ordre dels mil·lisegons, fet que possibilita seguir el ritme del processament ràpid d'informació biològica. Per tal de sondar el codi neuronal, l'optogenètica ha d'actuar, per definició, en aquesta mateixa escala temporal, per tal de permetre l'addició o eliminació de patrons d'activitat neuronals específics en cèl·lules concretes del cervell d'animals intactes, inclosos els mamífers (vegeu la Figura 1). En comparació, les manipulacions genètiques tradicionals —utilitzades per investigar el paper causal de gens específics mitjançant canvis de “pèrdua de funció” o “guany de funció”— presenten una resolució temporal molt inferior, que pot variar des d'hores o dies fins a mesos. També és essencial disposar de sistemes de lectura ràpids que puguin seguir el ritme del control òptic. Això es pot assolir mitjançant enregistraments elèctrics (amb dispositius anomenats "optrodes") o amb proteïnes reporteres que funcionen com a biosensors, en què s'han fusionat proteïnes fluorescents amb proteïnes detectores. Més enllà del seu impacte científic immediat, l'optogenètica constitueix un cas paradigmàtic del valor de la conservació ecològica, ja que moltes de les seves eines clau deriven d'organismes microbians adaptats a nínxols ecològics molt específics. Alhora, representa un exemple rellevant de la importància de la ciència bàsica: aquestes opsines van ser estudiades durant dècades per biofísics i microbiòlegs sense una aplicació clara en neurociència o psiquiatria, fins que el seu potencial va esdevenir evident.
Proteïnes fotosensibles: canals, bombes i enzims L'optogenètica es basa en l'expressió de canals, bombes i enzims fotosensibles que permeten la manipulació precisa —en termes temporals— d'esdeveniments elèctrics i bioquímics, alhora que es conserva la resolució específica per tipus cel·lular mitjançant mecanismes de focalització selectiva. Entre les opsines microbianes utilitzades per estudiar la funció dels sistemes neuronals, destaquen les canalrodopsines (com ChR2, ChR1, VChR1 i SFO), emprades per induir l'excitació neuronal. Paral·lelament, les canalrodopsines conductores d'anions s'utilitzen per inhibir l'activitat neuronal de manera induïda per la llum. Recentment, s'han dissenyat canals de potassi activables de manera indirecta per llum, amb l'objectiu d'evitar la generació de potencials d'acció durant la il·luminació amb llum blava, tot ampliant les opcions de silenciament optogenètic de l'activitat neuronal. Les bombes d'ions impulsades per llum també s'utilitzen per inhibir l'activitat neuronal, per exemple, l'halorodopsina (NpHR), les halorodopsines potenciades (eNpHR2.0 i eNpHR3.0, vegeu la Figura 2), l'arquerodopsina (Arch), les opsines fúngiques (Mac) i la bacteriorodopsina potenciada (eBR).
El control optogenètic d'esdeveniments bioquímics ben definits en mamífers amb comportament també és possible. A partir de treballs previs que fusionaven opsines de vertebrats amb receptors específics acoblats a proteïnes G es va desenvolupar una família d'eines optogenètiques quimèriques d'un sol component, que permetien als investigadors modular, en animals vius, la concentració de missatgers intracel·lulars concrets, com ara l'AMPc i l'IP₃, en cèl·lules diana. Poc després, van sorgir altres enfocaments bioquímics optogenètics amb eines que presentaven una activitat mínima en condicions de foscor, les quals possibilitaven el control òptic sobre petites GTPases i sobre l'adenilil ciclasa en cèl·lules cultivades, mitjançant estratègies innovadores desenvolupades per diversos grups de recerca. A més, s'han identificat adenilil ciclases fotoactives en fongs, les quals s'han utilitzat amb èxit per controlar els nivells d'AMPc en neurones de mamífers. Aquest repertori emergent d' actuadors optogenètics ara permet un control específic del tipus cel·lular i temporalment precís de múltiples eixos de la funció cel·lular dins d'animals intactes.
Maquinari per a aplicacions de llum
Un altre factor necessari és la infraestructura de maquinari —com ara fonts de llum d'estat sòlid i sistemes integrats de fibra òptica— que permeti controlar tipus cel·lulars específics fins i tot a profunditats considerables del cervell, en animals que es comporten lliurement Aquest control s'aconsegueix habitualment mitjançant la tecnologia de díodes acoblats per fibra òptica, introduïda l'any 2007. tot i que, per evitar l'ús d'elèctrodes implantats, els investigadors han dissenyat maneres d'inscriure una "finestra" feta de zircònia que s'ha modificat per ser transparent i s'ha implantat en cranis de ratolins, per permetre que les ones òptiques penetrin més profundament per estimular o inhibir neurones individuals. • Explained by Per estimular àrees superficials del cervell com l'escorça cerebral, es poden muntar fibres òptiques o LED directament al crani de l'animal. S'han utilitzat fibres òptiques implantades més profundament per fer arribar llum a zones cerebrals més profundes. Complementàriament als enfocaments basats en connexions per fibra òptica, s'han desenvolupat tècniques completament sense fil que utilitzen energia transmesa de manera inalàmbrica per alimentar LED instal·lats al cap, amb l'objectiu de facilitar l'estudi sense restriccions de comportaments complexos en organismes que es desplacen lliurement.
Expressió d'actuadors optogenètics
L'optogenètica també requereix, necessàriament, el desenvolupament d'estratègies de focalització genètica, com l'ús de promotors específics de cèl·lules o de vectors virals personalitzats amb activitat condicional, per tal de dirigir les sondes sensibles a la llum a poblacions neuronals específiques en el cervell d'animals vius (com ara cucs, mosques de la fruita, ratolins, rates i primats no humans). En el cas dels invertebrats, com els cucs i les mosques de la fruita, cal complementar l'alimentació amb una certa quantitat de tot-trans-retinal (ATR), un cofactor essencial per a la funcionalitat de les opsines. Un avantatge clau de les opsines microbianes, com s'ha esmentat anteriorment, és que són completament funcionals en vertebrats sense necessitat d'afegir cofactors exògens, cosa que facilita considerablement la seva aplicació en models animals complexos.
Tècnica miniatura|Tres components principals en l'aplicació de l'optogenètica són els següents:(A) La identificació o síntesi d'una proteïna fotosensible (opsina), com la canalrodopsina-2 (ChR2) o l'halorodopsina (NpHR);
(B) El disseny d'un sistema per introduir el material genètic que codifica l'opsina en les cèl·lules per a la seva expressió proteica, mitjançant l'ús de vectors virals com els virus adenoassociats o l'aplicació de sistemes com la recombinasa Cre;
(C) La implementació d'un dispositiu emissor de llum que permeti activar o inhibir les cèl·lules modificades de manera precisa en espai i temps. La tècnica optogenètica és altament flexible i pot adaptar-se a les necessitats específiques de l'experimentador. Les canalrodopsines selectives per a cations, com la ChR2 (Channelrhodopsin-2), s'utilitzen habitualment per induir l'excitació neuronal, mentre que les canalrodopsines conductores d'anions, com la GtACR2, permeten inhibir l'activitat de les neurones. La combinació d'aquestes dues funcionalitats en una sola construcció optogenètica, com BiPOLES, permet tant l'excitació com la inhibició neuronal, segons la longitud d'ona de la llum emprada.
La introducció de l'opsina microbiana en un subconjunt específic de cèl·lules representa un dels principals reptes de l'optogenètica. Un enfocament habitual consisteix a utilitzar un vector víric que conté el gen actuador optogenètic sota el control d'un promotor específic, com ara CAMKIIα, actiu predominantment en neurones excitadores. Aquesta estratègia permet assolir un cert nivell d'especificitat cel·lular i evitar, per exemple, l'expressió no desitjada en cèl·lules glials.