Explorando las Fronteras de la Neurociencia: Descifrando la Complejidad del Cerebro

Descifrando la Complejidad del Cerebro: Explorando las Fronteras de la Neurociencia

Del Impulso Nervioso a la Cognición

Ramón y Cajal describió el cerebro como una "jungla impenetrable". Para comprender cómo se produce la percepción, la emoción, las decisiones y la consciencia, la neurociencia moderna se apoya en técnicas avanzadas e innovadoras. El objetivo es registrar las señales de múltiples neuronas e incluso regiones enteras del cerebro.

El Proyecto Cerebro Humano y la Propiedad Emergente

El Proyecto Cerebro Humano busca desarrollar una simulación informática del cerebro. Se basa en el concepto de propiedad emergente, que se refiere al resultado de la interacción de todos los componentes del sistema nervioso.

El Proyecto Conectoma Humano, por otro lado, se centra en la reconstrucción de un mapa de las conexiones anatómicas neuronales o sinapsis. Este diagrama estructural, sin embargo, no puede identificar las señales eléctricas cambiantes.

Métodos Actuales de Medición de la Actividad Neuronal

• Medición eléctrica individual: Permite obtener una "foto" precisa del funcionamiento de un pequeño grupo de neuronas, pero no detecta la activación y desactivación completa. Examina la excitación y el impulso eléctrico de una sola neurona tras señales químicas mediante la inserción de electrodos finos en el cerebro. Esta técnica, al ser invasiva, puede causar daño tisular.
• Electroencefalograma (EEG): Utiliza electrodos en el cráneo para medir la actividad eléctrica combinada. Registra la oscilación de amplitud creciente y decreciente en milisegundos, pero no distingue si una neurona individual se activa.
• Resonancia magnética funcional (RMf): Mide la actividad cerebral de forma no invasiva, pero es lenta y tiene una pobre resolución espacial. Cada vóxel (píxel tridimensional) se compone de miles de neuronas. No sigue la actividad neural directa, sino que identifica solo cambios secundarios del flujo sanguíneo en los vóxeles.

La Neurona en Acción

Cuando una neurona se activa, se invierte el voltaje en la membrana externa, abriendo canales para que pasen iones de sodio u otros cationes. Este flujo de entrada produce un potencial de acción que viaja por el axón, estimulando el envío de una señal química a otra neurona, propagando así el impulso.

Nanotecnología: Registrando la Actividad de Miles de Neuronas

La nanotecnología, que trabaja con materiales más pequeños que una molécula, promete el registro a gran escala de la actividad neuronal. Un prototipo de matriz con más de 100,000 electrodos sobre una base de silicio permite medir la actividad eléctrica de miles de neuronas en la retina. Si se perfecciona la nanotecnología, se podrían apilar matrices en una estructura tridimensional, alargar las vías en la corteza, reducir el tamaño de los electrodos (evitando el daño tisular) e identificar la propiedad eléctrica de cada célula.

Nuevas Fronteras en la Imagenología Cerebral

• Obtención de imágenes de calcio (Akerboom et al.): Esta técnica de microscopía cerebral, aplicada en larvas de pez cebra, modifica genéticamente las neuronas para que emitan luz fluorescente cuando los iones de calcio entran en la célula activada. Aunque permite capturar imágenes por segundo, es lenta y no mide señales inhibidoras. Rafael Yuste utilizó esta técnica para observar la excitación espontánea y persistente de grupos de neuronas en animales en reposo.
• Sensores de potencial codificados por genes: En lugar de responder al calcio, estos tintes responden al voltaje de la membrana, permitiendo visualizar la actividad de cada célula en un circuito completo.
• Puntos cuánticos: Pequeñas partículas semiconductoras con efectos cuánticos cuyo color e intensidad pueden modificarse con precisión.
• Nanodiamantes: Provenientes de la óptica cuántica, exhiben alta sensibilidad a los cambios en el campo eléctrico cuando la actividad celular fluctúa. Las nanopartículas pueden combinarse con tintes orgánicos para crear moléculas híbridas que servirían como "antenas" para amplificar señales débiles.
• Luz (Piestun): Reconstruye la imagen de lo que hay a más de 1 mm de la corteza a partir de la dispersión de la luz sobre un objeto. Sin embargo, no detecta estructuras profundas.
• Microendoscopía: Inserta un tubo luminoso flexible en la arteria femoral para llegar a todo el cuerpo, utilizando un dispositivo llamado "extroducer" para perforar con seguridad la arteria o el vaso sanguíneo.

Biología Sintética y Optogenética

La biología sintética, impulsada por George Church, considera los componentes biológicos como máquinas. Mediante la modificación genética de animales, se busca sintetizar "teletipos moleculares" (sustancias o enzimas que cambian cuando la neurona se activa). Church lo comprobó utilizando un teletipo que se altera con iones de manganeso, magnesio y calcio. La ADN polimerasa, otro teletipo molecular, construye una hebra de ADN que se une a una secuencia de nucleótidos.

La optogenética modifica genéticamente animales para que las neuronas produzcan proteínas fotosensibles. Al exponerse a la luz, estas proteínas activan o desactivan las neuronas, lo que se ha asociado con el placer, la recompensa e incluso la implantación de recuerdos. Una alternativa práctica es unir un neurotransmisor a una sustancia fotosensible ("jaula molecular") que se desintegra con la luz, liberando el neurotransmisor. Rothman empleó jaulas de rutenio asociadas con GABA (un neurotransmisor que disminuye la actividad neuronal) para calmar crisis epilépticas en animales.

La optogenética utiliza señales ópticas e ingeniería genética para activar circuitos cerebrales. Un gen codifica una proteína fotosensible (opsina) que se introduce en un virus. Al inyectarse, el virus lleva el gen a las neuronas. La secuencia promotora en el ADN del material genético insertado asegura la síntesis solo de opsina por el canal iónico en la superficie de la membrana. Los iones cargados entran en la neurona y generan una corriente. El canal se abre en respuesta a una señal luminosa.

La optoquímica, a diferencia de la optogenética, no requiere ingeniería genética. Se ingiere una pastilla con una jaula molecular que se activa con la luz y se une a un neurotransmisor. Tras la exposición a la luz, se libera el neurotransmisor, que se fija en la membrana y abre el canal para que entren los iones, provocando la excitación de la neurona y el envío de un impulso eléctrico.

El Futuro de la Neurociencia

Con el avance de estas técnicas, la neurociencia se acerca a la comprensión de los procesos cerebrales emergentes, como los recuerdos, los pensamientos y las decisiones. El desarrollo de sensores ópticos y teletipos moleculares, junto con la nanotecnología y la biología sintética, promete revolucionar nuestro conocimiento del cerebro y la mente.