Actividad cerebral a la luz
Las neuronas trabajan en grupo, no en solitario. Y es que para comprender el funcionamiento del cerebro no basta con investigar las neuronas de forma individual. “No es como en un ordenador, donde la información pasa por los transistores, y en cada uno de ellos se produce la computación”, afirma Aitzol Garcia -Etxarri, investigador del DIPC. “Las ideas encienden grupos neuronales. Cuando pensamos en la abuela, por ejemplo, sólo se activa un grupo neuronal y ese grupo neuronal. Los neurólogos están haciendo muchos descubrimientos hoy en día, pero, sin embargo, no entendemos cómo computamos eso”.
“No existe una teoría general aceptada para saber cómo funciona el cerebro. Y estamos lejos de eso”, ha afirmado Rafael Yuste, neurólogo de la Universidad de Columbia, referente mundial de la investigación cerebral, que colabora con Garcia -Etxarri en la investigación. Yuste, lidera el proyecto BRAIN, que pretende realizar un mapa de la actividad del cerebro humano.
“El cerebro se ha investigado mucho a nivel celular y molecular”, explica Yuste. “Sabemos mucho de ello: cómo funcionan las neuronas individualmente, qué moléculas tienen, qué propiedades biofísicas tienen, etc. Y sabemos también las conexiones entre neuronas. Se ha estudiado intensamente la plasticidad sináptica, el funcionamiento de las sinapsis. Pero cómo se acoplan las actividades de los grupos neuronales y qué hacen juntos... Eso es otra cosa. Ahí tenemos un gran vacío de sabiduría”.
Y la visualización de la actividad de los grupos neurona puede ser una clave para empezar a comprender algunos procesos. ¿Cómo se guardan las ideas? ¿O cómo funcionan las memorias a largo plazo y a corto plazo? ¿Cómo aprendemos? ¿O qué ocurre en cada enfermedad neurológica? Son preguntas grandes y tal vez la respuesta no esté almacenada en los patrones de actividad del cerebro, pero, de momento, los científicos quieren ver esta actividad físicamente. Y para conseguirlo han recurrido a los físicos.
“La línea de estudio se llama NanoNeuro, porque aúna nanociencia y neurociencia. Al final queremos fabricar nanoherramientas que puedan ser utilizadas en el cerebro”, explica Yuste.
Ver actividad
El propio Yuste inventó un nuevo método de investigación cerebral: la representación con calcio (calcium imaging). Este método se basa en la fluorescencia de las neuronas mediante la adición de proteínas de fluorescencia en la propia membrana neuronal. Gracias a estas proteínas, cuando la neurona absorbe o vierte calcio, cada neurona emite un rayo de luz. Y la dinámica del calcio está relacionada con la actividad de la neurona. La adición de estas proteínas en todas las neuronas permite conocer el funcionamiento simultáneo de miles de neuronas.
“El método de Yuste tiene un problema”, afirma García Etxarri. “La adición de proteínas fluorescentes requiere cambios genéticos en las neuronas para que la propia neurona sintetice las proteínas. Esto es útil para la investigación de laboratorio, pero estos cambios genéticos no pueden hacerse en una persona viva. Los cambios genéticos no están permitidos en la actualidad y espero no autorizarlos nunca”.
Existen métodos alternativos para representar la actividad cerebral, pero no representan realmente la actividad eléctrica de las neuronas. Por un lado, a través de la resonancia magnética nuclear funcional (RMNf) se observa la hemorragia cerebral, es decir, la cantidad de sangre y los lugares en los que el cerebro “pide” durante el trabajo. Por otro lado, la tomografía por positrones (PET) muestra el consumo de glucosa en el cerebro, es decir, sirve para elaborar un mapa de la demanda energética de las neuronas. No obstante, en ninguno de los dos casos se obtiene una imagen de la actividad directa.
Sin embargo, en el equipo del DIPC se propone una nueva solución: la luz y el uso de nanopartículas. “El DIPC tiene una gran tradición en la investigación de la nanofotónica”, explica García Etxarri. “La nanofotónica es la investigación de la interacción entre la luz y las nanopartículas. En este caso podemos desarrollar dos líneas de investigación utilizando la nanofotónica”.
En cada línea de estudio deben utilizar un nanotipo, ya que tienen un objetivo propio. Por un lado, utilizarán los puntos cuánticos para visualizar la actividad de las neuronas. Por otro lado, pretenden utilizar nanopartículas de oro para generar actividad en neuronas.
Manipulación del color de la luz
Los puntos cuánticos se encontraron hace mucho tiempo, en letras. En realidad funcionan como casi cualquier molécula. Sus electrones están distribuidos en niveles, según la energía. Cuando la luz golpea una molécula, si tiene la energía adecuada (es decir, tiene el color adecuado), un electrón puede saltar a un nivel de mayor energía. Sin embargo, este electrón volverá al nivel original liberando energía adicional en forma de luz. Emitirá luz. Sin embargo, si esta molécula es un punto cuántico es sensible a los campos electromagnéticos que la rodean; mediante el uso de campos electromagnéticos, los niveles de energía de los electrones pueden ser mayores o menores, controlando la cantidad de energía que emite. Finalmente se puede manipula el color de la luz que emite.
La propuesta del DIPC es que la electricidad que acompaña a la actividad de las neuronas sea utilizada como campo electromagnético de la zona. “Las neuronas funcionan con señales eléctricas”, explica García Etxarri. “Si pegamos un punto cuántico en la membrana de la neurona, independientemente de que la membrana tenga o no actividad, el color que emite cambia al saltar los electrones”. Los investigadores iluminarán la neurona con luz infrarroja y la neurona devolverá la luz visible y, en función del color de la luz, sabrán si esa neurona está activa o no. Por ello, los puntos cuánticos son herramientas nanoscópicas apropiadas para leer la actividad de los grupos neuronales.
Oro y calor
Leer la actividad de los grupos neuronales es un gran paso, pero esto no es suficiente para la investigación. El segundo objetivo del proyecto es impulsar esta actividad. Mediante la activación de determinadas neuronas, los neurólogos quieren analizar cómo responde el cerebro. Para ello también necesitan físicos. De hecho, el segundo objetivo de los físicos del DIPC es desarrollar una herramienta que estimule la actividad en determinadas neuronas; una herramienta que trabaje de forma muy concreta, una herramienta que activa las neuronas individualmente en caso de necesidad.
La idea es sencilla. Al igual que una lupa concentra la luz del Sol, quieren utilizar partículas que ejercen ese mismo efecto a escala nanoscópica. Y el material adecuado para ello es el oro. “Les hemos llamado nanolups de oro. Cuando suena la luz pueden concentrar los rayos en un punto más pequeño que cualquier lupa que podamos fabricar. El lugar donde se concentran los rayos se calienta y ese calor hace que las neuronas se activen”, ha explicado García Etxarri.
“Este camino no ha sido aún tratado”, afirma Yuste. “Hay dos trabajos anteriores, uno de un equipo de Chicago y otro de nuestro laboratorio de Nueva York. En estos trabajos se han empleado nanopartículas de oro para generar actividad en neuronas. Nosotros lo hicimos en ratones e hidras (animales con sistema nervioso muy simple). Estos experimentos demuestran que este planteamiento del proyecto puede ser razonable”. Pero hay que ir más allá. Estos experimentos eran nanopartículas comerciales y no estructuras diseñadas de forma natural. Este es el objetivo del proyecto NanoNeuro, que consiste en sintetizar las partículas naturales para poder producir el efecto concreto que desean con ellas.
Por supuesto, para ello deben diseñar y construir nanopartículas. Luego, para que se asocien con las neuronas, deben cubrirlas con unas estructuras moleculares. Y por último, al igual que se ha hecho con cualquier material que entra dentro del cuerpo humano, tienen que investigar la biocompatibilidad para que no produzcan ningún efecto nocivo. Por tanto, la idea sencilla de la nanolup tendrá una larga investigación para poder desarrollarse.
Todo a la vez
Si la investigación arroja resultados, sin embargo, se obtendrán dos nanopartículas, una para leer la actividad de las neuronas y otra para estimular el lugar en el que se desea. Pero los científicos no quieren trabajar con dos nanoformas. “Nuestro objetivo es diseñar una única nanopartícula con ambas propiedades a la vez. Si lo conseguimos, tendremos un dispositivo capaz de leer e incidir en la actividad cerebral”.
Ese es el objetivo final, al menos en la parte que se va a realizar en el DIPC. El proyecto está ya sobre la mesa y abierto una nueva línea de investigación. “Nunca se nos ha ocurrido que las propiedades de estas nanopartículas pueden aplicarse también a las neurociencias”, afirma García Etxarri. “Es algo que sabemos hacer muy bien, pero queremos utilizarlo en una aplicación totalmente diferente. Es interesante aplicar algo que sabemos en un ámbito que no conocemos”.
Posteriormente, el equipo de Rafael Yuste investigará esta aplicación en la Universidad de Columbia. Para Yuste, muchos de los avances científicos se deben al desarrollo de nuevos métodos. Y precisamente espera que la herramienta desarrollada en San Sebastián suponga una pequeña revolución en la investigación cerebral. El tiempo lo dirá.
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