Bienvenidos!
Las nuevas tecnologías arrojan luz sobre el gran misterio por resolver de la biología: el verdadero funcionamiento del cerebro.
Algunos neurocientíficos estudian la delicada y sofisticada estructura de las células nerviosas, o neuronas. Otros se ocupan de cartografiar la bioquímica del cerebro, para determinar de qué manera nuestros miles de millones de neuronas producen y emplean miles de proteínas diferentes.
Y otros crean representaciones increíblemente detalladas del «cableado» cerebral, esa red de unos 160.000 kilómetros de fibras nerviosas que constituyen la sustancia blanca y que conecta los diversos componentes del cerebro, dando origen a todo lo que pensamos, sentimos y percibimos.
El Gobierno de Estados Unidos respalda esta investigación a través de la iniciativa BRAIN (siglas en inglés de «investigación del cerebro mediante neurotecnologías innovadoras y avanzadas»). La primavera pasada, el presidente Obama anunció que este proyecto a gran escala tiene como objetivo acelerar la confección de mapas del sistema de circuitos neuronales, «ofreciendo así a los científicos los instrumentos que necesitan para componer una imagen dinámica del cerebro en acción».
En Europa existe un esfuerzo similar financiado por la Comisión Europea llamado Proyecto Cerebro Humano (HBP), en el que participan 15 países, entre ellos España.
Al observar el cerebro en acción, los neurocientíficos pueden ver también sus defectos; de hecho, empiezan a identificar diferencias entre la estructura de un cerebro corriente y el de otro aquejado por trastornos como la esquizofrenia, el autismo o la enfermedad de Alzheimer.
A medida que avancen en la confección de mapas cada vez más detallados del cerebro, es posible que puedan diagnosticar trastornos por sus manifestaciones anatómicas y quizás incluso lleguen a comprender su génesis.
Y otros crean representaciones increíblemente detalladas del «cableado» cerebral, esa red de unos 160.000 kilómetros de fibras nerviosas que constituyen la sustancia blanca y que conecta los diversos componentes del cerebro, dando origen a todo lo que pensamos, sentimos y percibimos.
El Gobierno de Estados Unidos respalda esta investigación a través de la iniciativa BRAIN (siglas en inglés de «investigación del cerebro mediante neurotecnologías innovadoras y avanzadas»). La primavera pasada, el presidente Obama anunció que este proyecto a gran escala tiene como objetivo acelerar la confección de mapas del sistema de circuitos neuronales, «ofreciendo así a los científicos los instrumentos que necesitan para componer una imagen dinámica del cerebro en acción».
En Europa existe un esfuerzo similar financiado por la Comisión Europea llamado Proyecto Cerebro Humano (HBP), en el que participan 15 países, entre ellos España.
Al observar el cerebro en acción, los neurocientíficos pueden ver también sus defectos; de hecho, empiezan a identificar diferencias entre la estructura de un cerebro corriente y el de otro aquejado por trastornos como la esquizofrenia, el autismo o la enfermedad de Alzheimer.
A medida que avancen en la confección de mapas cada vez más detallados del cerebro, es posible que puedan diagnosticar trastornos por sus manifestaciones anatómicas y quizás incluso lleguen a comprender su génesis.
La estructura reticulada
Cuando en 2012 Van Wedeen del Centro de Imágenes Biomédicas Martinos, situado en el puerto de Boston,Estados Unidos; sacó a la luz la estructura reticulada del cerebro, algunos científicos reaccionaron con escepticismo, preguntándose si no habría descubierto solo una parte de una anatomía mucho más enmarañada.
Pero hoy Wedeen está más convencido que nunca de que se trata de una característica relevante.
Mire donde mire –en cerebros humanos, de monos o de ratas–, encuentra la cuadrícula. Indica que los sistemas nerviosos primigenios, en los gusanos del cámbrico, eran simples cuadrículas: apenas un par de cordones nerviosos tendidos de la cabeza a la cola, con conexiones entre ellos semejantes a los peldaños de una escalera de mano.
En el linaje de nuestra especie los nervios del encéfalo aumentaron exponencialmente de número hasta contarse por miles de millones, pero conservaron la estructura cuadriculada.
Es posible que nuestros pensamientos discurran como tranvías sobre los raíles de la sustancia blanca, conforme los impulsos nerviosos viajan de una región del cerebro a otra.
Pero hoy Wedeen está más convencido que nunca de que se trata de una característica relevante.
Mire donde mire –en cerebros humanos, de monos o de ratas–, encuentra la cuadrícula. Indica que los sistemas nerviosos primigenios, en los gusanos del cámbrico, eran simples cuadrículas: apenas un par de cordones nerviosos tendidos de la cabeza a la cola, con conexiones entre ellos semejantes a los peldaños de una escalera de mano.
En el linaje de nuestra especie los nervios del encéfalo aumentaron exponencialmente de número hasta contarse por miles de millones, pero conservaron la estructura cuadriculada.
Es posible que nuestros pensamientos discurran como tranvías sobre los raíles de la sustancia blanca, conforme los impulsos nerviosos viajan de una región del cerebro a otra.
En La Antiguedad
Santiago Ramon y Cajal.
Los científicos están averiguando tantas cosas últimamente acerca del cerebro que a veces se nos olvida que durante buena parte de la historia no supimos cómo funcionaba, ni tan siquiera qué era.
En la Antigüedad, los médicos creían que el cerebro estaba compuesto de «flema». Aristóteles lo consideraba una especie de refrigerador, capaz de contrarrestar el calor del corazón.
Desde entonces hasta el Renacimiento los anatomistas declaraban con gran convicción que nuestras percepciones, emociones, razonamientos y acciones eran el resultado de «espíritus animales», vapores misteriosos e intangibles que se arremolinaban en las cavidades de nuestras cabezas y viajaban por nuestro cuerpo.
La revolución científica del siglo XVII empezó a cambiarlo todo. El médico británico Thomas Willis reconoció que esos tejidos cerebrales de consistencia semejante a la cuajada eran la sede de nuestro mundo mental.
Para estudiar su funcionamiento, diseccionó cerebros de ovejas, de perros y de pacientes fallecidos, y produjo así los primeros diagramas exactos del órgano.
Tuvo que pasar otro siglo para que los investigadores comprendieran que el cerebro es un órgano eléctrico. En lugar de espíritus animales, son impulsos eléctricos los que recorren el sistema nervioso. Aun así, los científicos del siglo XIX sabían muy poco acerca de las rutas seguidas por esos impulsos.
El médico italiano Camillo Golgi sostenía que el cerebro era una red de conexiones sin interrupciones. Basándose en la investigación de Golgi, el científico español Santiago Ramón y Cajal aplicó nuevos métodos de tinción de las neuronas para observar sus enmarañadas ramificaciones y descubrió lo que Golgi no había podido discernir: que cada neurona es una célula distinta, separada de todas las demás.
Las neuronas envían señales a través de unas prolongaciones llamadas axones, y las reciben a través de las prolongaciones receptoras, denominadas dendritas.
Entre el extremo de los axones y el de las dendritas hay un pequeño espacio: la hendidura sináptica. Posteriormente los científicos descubrirían que los axones vierten un cóctel de sustancias químicas en dicho espacio para desencadenar una señal en la neurona vecina.
En la Antigüedad, los médicos creían que el cerebro estaba compuesto de «flema». Aristóteles lo consideraba una especie de refrigerador, capaz de contrarrestar el calor del corazón.
Desde entonces hasta el Renacimiento los anatomistas declaraban con gran convicción que nuestras percepciones, emociones, razonamientos y acciones eran el resultado de «espíritus animales», vapores misteriosos e intangibles que se arremolinaban en las cavidades de nuestras cabezas y viajaban por nuestro cuerpo.
La revolución científica del siglo XVII empezó a cambiarlo todo. El médico británico Thomas Willis reconoció que esos tejidos cerebrales de consistencia semejante a la cuajada eran la sede de nuestro mundo mental.
Para estudiar su funcionamiento, diseccionó cerebros de ovejas, de perros y de pacientes fallecidos, y produjo así los primeros diagramas exactos del órgano.
Tuvo que pasar otro siglo para que los investigadores comprendieran que el cerebro es un órgano eléctrico. En lugar de espíritus animales, son impulsos eléctricos los que recorren el sistema nervioso. Aun así, los científicos del siglo XIX sabían muy poco acerca de las rutas seguidas por esos impulsos.
El médico italiano Camillo Golgi sostenía que el cerebro era una red de conexiones sin interrupciones. Basándose en la investigación de Golgi, el científico español Santiago Ramón y Cajal aplicó nuevos métodos de tinción de las neuronas para observar sus enmarañadas ramificaciones y descubrió lo que Golgi no había podido discernir: que cada neurona es una célula distinta, separada de todas las demás.
Las neuronas envían señales a través de unas prolongaciones llamadas axones, y las reciben a través de las prolongaciones receptoras, denominadas dendritas.
Entre el extremo de los axones y el de las dendritas hay un pequeño espacio: la hendidura sináptica. Posteriormente los científicos descubrirían que los axones vierten un cóctel de sustancias químicas en dicho espacio para desencadenar una señal en la neurona vecina.
Distintos Metodos
El neurocientífico Jeff Lichtman, actual titular de la cátedra Ramón y Cajal de la Universidad Harvard,En lugar de dibujar las neuronas manualmente a tinta y plumilla, él y su equipo están creando minuciosas imágenes tridimensionales de las neuronas, que permiten apreciar cada abultamiento y cada ramificación.
Desentrañando los pequeños detalles de la estructura de las células nerviosas, es posible que por fin se hallen respuestas a algunas de las preguntas más básicas acerca de la naturaleza del cerebro.
Cada neurona tiene un promedio de 10.000 sinapsis (conexiones con otras neuronas).
Para producir las imágenes, Lichtman y sus colegas cortan secciones de cerebro de ratón con la versión neuroanatómica de una máquina de cortar fiambre. Las finísimas capas de tejido resultantes tienen la milésima parte del grosor de un cabello humano.
Después, con un microscopio electrónico, los investigadores fotografían cada sección transversal, y con el ordenador combinan las imágenes apilándolas una encima de otra. De este modo, poco a poco va cobrando forma una imagen tridimensional que los científicos pueden explorar.
El único problema es la enormidad de ese «todo». Hasta el momento, el mayor volumen de un cerebro de ratón que el equipo de Lichtman ha conseguido reproducir es más o menos del tamaño de un grano de sal. Los datos de ese minúsculo volumen suman 100 terabytes, una cantidad de información equivalente a la de 25.000 películas almacenadas en alta definición.
Una vez que se ha reunido toda esa información empieza el trabajo verdaderamente difícil: buscar las reglas que organizan el aparente caos del cerebro.
Desentrañando los pequeños detalles de la estructura de las células nerviosas, es posible que por fin se hallen respuestas a algunas de las preguntas más básicas acerca de la naturaleza del cerebro.
Cada neurona tiene un promedio de 10.000 sinapsis (conexiones con otras neuronas).
Para producir las imágenes, Lichtman y sus colegas cortan secciones de cerebro de ratón con la versión neuroanatómica de una máquina de cortar fiambre. Las finísimas capas de tejido resultantes tienen la milésima parte del grosor de un cabello humano.
Después, con un microscopio electrónico, los investigadores fotografían cada sección transversal, y con el ordenador combinan las imágenes apilándolas una encima de otra. De este modo, poco a poco va cobrando forma una imagen tridimensional que los científicos pueden explorar.
El único problema es la enormidad de ese «todo». Hasta el momento, el mayor volumen de un cerebro de ratón que el equipo de Lichtman ha conseguido reproducir es más o menos del tamaño de un grano de sal. Los datos de ese minúsculo volumen suman 100 terabytes, una cantidad de información equivalente a la de 25.000 películas almacenadas en alta definición.
Una vez que se ha reunido toda esa información empieza el trabajo verdaderamente difícil: buscar las reglas que organizan el aparente caos del cerebro.
El Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, situado en Seattle, ha producido un mapa de la maquinaria molecular del cerebro denominado Atlas Allen del Cerebro.
Allí los científicos trabajan con cerebros de personas recién fallecidas, donados por sus familiares. En primer lugar, los escanean con aparatos de resonancia magnética de alta resolución y después, utilizando sus imágenes tridimensionales como referencia, los cortan en secciones de grosor microscópico, que a continuación montan sobre un portaobjetos.
Finalmente impregnan las secciones con diferentes sustancias químicas que revelan la presencia de genes activos situados en las neuronas.
Allí los científicos trabajan con cerebros de personas recién fallecidas, donados por sus familiares. En primer lugar, los escanean con aparatos de resonancia magnética de alta resolución y después, utilizando sus imágenes tridimensionales como referencia, los cortan en secciones de grosor microscópico, que a continuación montan sobre un portaobjetos.
Finalmente impregnan las secciones con diferentes sustancias químicas que revelan la presencia de genes activos situados en las neuronas.
Cerebro Transparente
No hace falta decir que todo cerebro normal, humano o de ratón, es opaco, porque sus células están envueltas en grasa y otros compuestos que impiden el paso de la luz.
Por esa razón Ramón y Cajal(Cientifico Español), tuvo que teñir las neuronas para verlas, y el grupo de Lichtman y los científicos del Instituto Allen tienen que cortar los cerebros en secciones finísimas para acceder a su interior.
La ventaja de un cerebro transparente es que permite observar sus mecanismos con el órgano todavía intacto.
En colaboración con el investigador posdoctoral Kwanghun Chung, Deisseroth ha desarrollado una receta para reemplazar los compuestos opacos del cerebro por moléculas transparentes.
Tras volver transparente un cerebro de ratón con su método, pueden inyectarle marcadores químicos fluorescentes que se fijan solo a determinadas proteínas o siguen una ruta específica que conecta diferentes neuronas en regiones distantes del cerebro.
Los científicos pueden luego lavar esos marcadores y añadir otros para revelar la localización y la estructura de un tipo diferente de neurona, desenmarañando de ese modo los circuitos neuronales, uno a uno. «No es necesario desmontarlo para ver el cableado», afirma Deisseroth.
Por muy revelador que pueda ser un cerebro transparente, siempre será un órgano muerto.
Los científicos necesitan otros instrumentos para explorar cerebros vivos. Utilizando una programación diferente, las técnicas que Wedeen emplea para estudiar la sustancia blanca pueden registrar el cerebro en acción.
La resonancia magnética funcional (RMf) permite observar las regiones del cerebro que participan en una tarea mental determinada. A lo largo de las dos últimas décadas, la RMf ha revelado redes implicadas en todo tipo de procesos mentales, desde el reconocimiento de caras hasta el acto de beber un café o la rememoración de un suceso traumático.
Por esa razón Ramón y Cajal(Cientifico Español), tuvo que teñir las neuronas para verlas, y el grupo de Lichtman y los científicos del Instituto Allen tienen que cortar los cerebros en secciones finísimas para acceder a su interior.
La ventaja de un cerebro transparente es que permite observar sus mecanismos con el órgano todavía intacto.
En colaboración con el investigador posdoctoral Kwanghun Chung, Deisseroth ha desarrollado una receta para reemplazar los compuestos opacos del cerebro por moléculas transparentes.
Tras volver transparente un cerebro de ratón con su método, pueden inyectarle marcadores químicos fluorescentes que se fijan solo a determinadas proteínas o siguen una ruta específica que conecta diferentes neuronas en regiones distantes del cerebro.
Los científicos pueden luego lavar esos marcadores y añadir otros para revelar la localización y la estructura de un tipo diferente de neurona, desenmarañando de ese modo los circuitos neuronales, uno a uno. «No es necesario desmontarlo para ver el cableado», afirma Deisseroth.
Por muy revelador que pueda ser un cerebro transparente, siempre será un órgano muerto.
Los científicos necesitan otros instrumentos para explorar cerebros vivos. Utilizando una programación diferente, las técnicas que Wedeen emplea para estudiar la sustancia blanca pueden registrar el cerebro en acción.
La resonancia magnética funcional (RMf) permite observar las regiones del cerebro que participan en una tarea mental determinada. A lo largo de las dos últimas décadas, la RMf ha revelado redes implicadas en todo tipo de procesos mentales, desde el reconocimiento de caras hasta el acto de beber un café o la rememoración de un suceso traumático.
La Vista
En 2012 Clay Reid se trasladó a Seattle para unirse al Instituto Allen con la esperanza de despejar algunas dudas.
La función que el equipo de Reid ha decidido descifrar es la vista, un sentido que los científicos llevan decenios estudiando pero que solo han podido descifrar fragmentariamente.
Un ejemplo de un antiguo experimento era colocar un electrodo en la región del cerebro de un ratón relacionada con la percepción visual y observar las neuronas que se activaban cuando el animal veía una imagen en particular.
Ese enfoque ha permitido a los científicos cartografiar las regiones de la corteza visual especializadas en diferentes tareas, como detectar los bordes de un objeto o percibir la luminosidad.
Pero nunca han conseguido ver todas esas regiones trabajando a la vez, y descubrir así cómo hace el millón de neuronas de un ratón presentes en las regiones del cerebro relacionadas con la visión para organizar instantáneamente la información en la imagen de un gato.
La investigación de Reid sobre la visión de los ratones es un paso más hacia el objetivo último de la neurociencia: obtener un panorama completo del funcionamiento del complicadísimo sentido de la visión, lo que los científicos llaman «una teoría del cerebro.
Falta mucho para alcanzar una meta tan ambiciosa, y los pasos que se han dado prácticamente no han cambiado aún los tratamientos que los médicos ofrecen a los pacientes.
Pero hay una línea de investigación (las interfaces cerebro-máquina) donde el estudio del cerebro ya ha empezado a cambiar la vida de muchas personas
La función que el equipo de Reid ha decidido descifrar es la vista, un sentido que los científicos llevan decenios estudiando pero que solo han podido descifrar fragmentariamente.
Un ejemplo de un antiguo experimento era colocar un electrodo en la región del cerebro de un ratón relacionada con la percepción visual y observar las neuronas que se activaban cuando el animal veía una imagen en particular.
Ese enfoque ha permitido a los científicos cartografiar las regiones de la corteza visual especializadas en diferentes tareas, como detectar los bordes de un objeto o percibir la luminosidad.
Pero nunca han conseguido ver todas esas regiones trabajando a la vez, y descubrir así cómo hace el millón de neuronas de un ratón presentes en las regiones del cerebro relacionadas con la visión para organizar instantáneamente la información en la imagen de un gato.
La investigación de Reid sobre la visión de los ratones es un paso más hacia el objetivo último de la neurociencia: obtener un panorama completo del funcionamiento del complicadísimo sentido de la visión, lo que los científicos llaman «una teoría del cerebro.
Falta mucho para alcanzar una meta tan ambiciosa, y los pasos que se han dado prácticamente no han cambiado aún los tratamientos que los médicos ofrecen a los pacientes.
Pero hay una línea de investigación (las interfaces cerebro-máquina) donde el estudio del cerebro ya ha empezado a cambiar la vida de muchas personas
Viaje al interior del cerebro
Preparación de un cerebro humano a cargo del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro.
Las nuevas tecnologías arrojan luz sobre el gran misterio por resolver de la biología: el verdadero funcionamiento del cerebro.
Casco con Sensores
En el Centro de Imágenes Biomédicas Martinos, un ingeniero lleva puesto un casco con sensores para la realización de una exploración cerebral que consume casi tanta energía como un submarino nuclear. Unas antenas captan las señales emitidas cuando el campo magnético del escáner excita las moléculas de agua del cerebro. Unos ordenadores convierten los datos en mapas del cerebro.
El color del pensamiento
Las diversas regiones del cerebro están conectadas por unos 160.000 kilómetros de fibras (una longitud equivalente a cuatro veces la circunferencia de la Tierra) que constituyen la denominada sustancia blanca. Imágenes como esta, tomada en el Centro de Imágenes Biomédicas Martinos, revelan por primera vez las rutas específicas relacionadas con determinadas funciones cognitivas. Los haces coloreados en rosa y naranja, por ejemplo, transmiten señales de importancia crítica para el lenguaje.
Anatomía de un misterio
Las nuevas tecnologías permiten a los científicos desentrañar la estructura oculta del cerebro. Un detalle en alta resolución de la imagen anterior revela fibras de sustancia blanca dispuestas en una misteriosa estructura reticulada, como los paralelos y meridianos de un mapa.
El brillo de la memoria
Cuando formamos un recuerdo, «hay un cambio físico en el cerebro», dice Don Arnold, de la Universidad del Sur de California. Los puntos rojos y verdes de las ramificaciones de esta neurona de rata muestran los puntos de contacto con otras neuronas. A medida que se forman recuerdos, surgen puntos nuevos y los antiguos se desvanecen.
Visto de cerca
Dispuestas una encima de otra, 10.000 de esas microfotografías forman un modelo tridimensional del tamaño de un grano de sal. Visualizar un cerebro humano con tanto detalle requeriría una cantidad de datos igual a todos los textos de todas las bibliotecas del mundo.
Sin margen de error
La extirpación de tumores cerebrales es un procedimiento de riesgo, ya que el cirujano debe eliminar tanto tejido tumoral como sea posible sin destruir tejido nervioso esencial para funciones tales como el habla, la vista y la memoria, ni el tejido conjuntivo entre las neuronas. David Fortin (en el centro, a la derecha), neurocirujano de la Universidad de Sherbrooke, en Canadá, realiza una intervención quirúrgica utilizando un mapa de alta resolución del cerebro del paciente para evitar complicaciones.
Una mano guiada
Las imágenes cerebrales de un paciente, demostraron que había un tumor (en rojo) en la región que controla el movimiento de las manos y los pies
Iluminar el camino
Un equipo de científicos del Janelia Farm Research Campus, un centro de investigación del Instituto Médico Howard Hughes, ha añadido a las neuronas de un pez cebra un gen que provoca una emisión de luz cada vez que la célula envía una señal. Como los peces cebra son transparentes, los científicos pueden observar la «brillante» actividad neuronal de la mayoría de las 100.000 neuronas presentes en el cerebro de estos animales. Los patrones de estos «destellos» ofrecen nueva información sobre cómo el cerebro procesa la información.
«Con el tiempo, los implantes cerebrales serán tan corrientes como los marcapasos –afirman los investigadores.»
Cuando se trata del cerebro, predecir el futuro es muy complicado. Algunos avances del pasado inspiraron expectativas que en muchos casos no han llegado a realizarse. «No podemos distinguir un cerebro esquizofrénico de uno autista o uno normal».
La investigación actual está llevando a la neurociencia hacia una fase totalmente nueva. «Creo que ya podemos empezar a unir las piezas del rompecabezas.»
Cuando se trata del cerebro, predecir el futuro es muy complicado. Algunos avances del pasado inspiraron expectativas que en muchos casos no han llegado a realizarse. «No podemos distinguir un cerebro esquizofrénico de uno autista o uno normal».
La investigación actual está llevando a la neurociencia hacia una fase totalmente nueva. «Creo que ya podemos empezar a unir las piezas del rompecabezas.»
Fin Del Post!