Nuestros ojos son uno de los órganos más delicados y fascinantes del cuerpo. La visión nos permite procesar el entorno por el que vamos caminando, localizar la taza que usamos para tomar café todos los días, ver a nuestros seres queridos y asombrarnos ante un paisaje maravilloso o una pintura de Van Gogh. El sistema visual procesa una cantidad de información enorme sobre el mundo que habitamos, y por esto mismo una gran parte del cerebro, aproximadamente un tercio según apuntan algunos estudios, se ocupa específicamente de procesar estos estímulos visuales para que generemos el campo visual que vemos segundo a segundo con toda naturalidad.
Lo cierto es que por más simple que parezca levantar la cabeza y mirar alrededor, mirar a los ojos de tus amigos o ver el oleaje en el mar, hay una multitud de procesos y una coordinación entre nuestra retina y el cerebro increíble para que esto sea posible. Pero hasta hace poco las rutas neuronales que vinculan a las retinas y nuestro cerebro eran desconocidas. Estaban en el territorio incógnito de los delicados cableados que van dentro de nuestra cabeza. Eso hasta la publicación de un nuevo estudio que usó una técnica de vanguardia para registrar qué ocurre dentro de nuestros ojos en las rutas neuronales.
De hecho este estudio marca un hito, ya que es la primera vez que, gracias a un equipo de neurocientíficos de la Charité - Universitätsmedizin de Berlín y del Instituto Max Planck de Inteligencia Biológica (actualmente en proceso de creación), que se han revelado las conexiones precisas entre las neuronas sensoriales del interior de la retina y el colículo superior, una estructura del cerebro medio.
Esto fue posible gracias a las sondas Neuropixels, una neurotecnología de vanguardia, que representa la siguiente generación de electrodos para medir la actividad neuronal. Las sondas Neuropixels, densamente pobladas de puntos de registro, se utilizan para registrar la actividad de las células nerviosas y han facilitado estos recientes conocimientos sobre los circuitos neuronales.
El estudio, que fue publicado en Nature Communications, describe un principio fundamental que es común a los sistemas visuales de mamíferos y aves. Dos estructuras cerebrales son cruciales para el procesamiento de los estímulos visuales: la corteza visual en la corteza cerebral primaria y el colículo superior, una estructura en el cerebro medio. La visión y el procesamiento de la información visual implican procesos muy complejos.
En términos simplificados, la corteza visual es responsable de la percepción visual general, mientras que las estructuras del cerebro medio, evolutivamente más antiguas, son responsables de los comportamientos reflexivos guiados por la visión.
Los mecanismos y principios que intervienen en el procesamiento visual dentro de la corteza visual son bien conocidos. El trabajo realizado por un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Jens Kremkow ha contribuido a nuestro conocimiento en este campo y, en 2017, culminó con la creación de un Grupo de Investigación Emmy Noether Junior en el Centro de Investigación en Neurociencia de Charité (NWFZ).
El objetivo principal del Grupo de Investigación, financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG), es seguir mejorando nuestra comprensión de las células nerviosas implicadas en el sistema visual. Quedan muchas preguntas sin respuesta, como los detalles de la forma en que se procesa la información visual en los colículos superiores del cerebro medio.
Las células ganglionares de la retina, células sensoriales que se encuentran en el interior del ojo, responden a los estímulos visuales externos y envían la información recibida al cerebro. Las vías de señalización directa garantizan que la información visual recibida por las células nerviosas de la retina llegue también al cerebro medio.
"Lo que hasta ahora se desconocía en gran medida es el modo en que las células nerviosas de la retina y las del cerebro medio están vinculadas a nivel funcional. La escasez de conocimientos sobre el modo en que las neuronas del colículo superior procesan las entradas sinápticas era igualmente pronunciada", afirma el Dr. Kremkow, director del estudio. "Esta información es crucial para comprender los mecanismos implicados en el procesamiento del cerebro medio".
Hasta ahora, había sido imposible medir la actividad de las neuronas de la retina y del cerebro medio conectadas sinápticamente en organismos vivos. Para su investigación más reciente, el equipo de investigadores desarrolló un método basado en mediciones obtenidas con unos innovadores electrodos de alta densidad conocidos como sondas Neuropixels.
En concreto, las sondas Neuropixels son pequeñas matrices de electrodos lineales con aproximadamente mil puntos de registro a lo largo de un estrecho vástago. Estos dispositivos, que constan de 384 electrodos para el registro simultáneo de la actividad eléctrica de las neuronas del cerebro, se han convertido en un elemento de cambio en el campo de la neurociencia.
Los investigadores que trabajan en Charité y en el Instituto Max Planck de Inteligencia Biológica han utilizado esta nueva tecnología para determinar las estructuras relevantes del cerebro medio en ratones (colículo superior) y en aves (tectum óptico).
Ambas estructuras cerebrales tienen un origen evolutivo común y desempeñan un papel importante en el procesamiento visual de las señales de entrada de la retina en ambos grupos de animales.
Su trabajo llevó a los investigadores a un descubrimiento sorprendente: "Normalmente, este tipo de registro electrofisiológico mide las señales eléctricas de los potenciales de acción que se originan en el soma, el cuerpo celular de la neurona", explica el Dr. Kremkow.
"En nuestras grabaciones, sin embargo, observamos señales cuyo aspecto difería del de los potenciales de acción normales. Pasamos a investigar la causa de este fenómeno, y descubrimos que las señales de entrada en el cerebro medio estaban causadas por potenciales de acción propagados dentro de las "ramas axonales" de las células ganglionares de la retina. Nuestros hallazgos sugieren que la nueva tecnología de matrices electrónicas puede utilizarse para registrar las señales eléctricas que emanan de los axones, las proyecciones de las células nerviosas que transmiten las señales neuronales. Se trata de un hallazgo totalmente nuevo".
En una primicia mundial, el equipo del Dr. Kremkow pudo captar simultáneamente la actividad de las células nerviosas de la retina y de sus neuronas objetivo conectadas sinápticamente en el cerebro medio. Hasta ahora, el cableado funcional entre el ojo y el cerebro medio seguía siendo una incógnita. Los investigadores pudieron demostrar a nivel unicelular que la organización espacial de las entradas de las células ganglionares de la retina en el mesencéfalo constituye una representación muy precisa de la entrada original de la retina.
"Las estructuras del mesencéfalo proporcionan efectivamente una copia casi exacta de la estructura de la retina", dice el Dr. Kremkow. Y continúa: "Otro descubrimiento nuevo para nosotros fue que las neuronas del mesencéfalo reciben una entrada sináptica muy fuerte y específica de las células ganglionares de la retina, pero sólo de un pequeño número de estas neuronas sensoriales. Estas vías neuronales permiten una conexión muy estructurada y funcional entre la retina del ojo y las regiones correspondientes del cerebro medio".
Entre otras cosas, este nuevo conocimiento mejorará nuestra comprensión del fenómeno conocido como vista ciega, que puede observarse en individuos que han sufrido daños en la corteza visual debido a un traumatismo o un tumor. Incapaces de percibir conscientemente, estos individuos conservan una capacidad residual para procesar la información visual, que se traduce en una percepción intuitiva de los estímulos, los contornos, el movimiento e incluso los colores que parece estar vinculada al cerebro medio.
Este estudio también abre la posibilidad a una mayor comprensión del procesamiento de información que ocurre en el córtex visual y las rutas neuronales implicadas en ello, algo que podría ser de uso para otra neurotecnología de vanguardia, las interfaces cerebro-computador, como la diseñada por Neuralink, la compañía de Elon Musk, cuyo dispositivo cuenta con un chip insertado directamente en la superficie del cerebro y una serie de electrodos que registran la actividad eléctrica de las neuronas, la procesan y traducen a bits, a la vez que pueden estimular las neuronas.
Esto significa que mientras mejor se conozca el cableado que une las retinas al cerebro más posible se hace una intervención con estas neurotecnologías de vanguardia para reestablecer la conexión en el caso de personas con problemas visuales o ceguera completa en la que estas rutas neuronales se vean afectadas. De hecho, Musk ha planteado que una de las metas de Neuralink es precisamente ayudar a las personas con problemas visuales y eventualmente remediar la ceguera.
Para comprobar si los principios observados inicialmente en el modelo de ratón podían aplicarse también a otros vertebrados -y, por tanto, si podían ser de naturaleza más general-, el Dr. Kremkow y su equipo trabajaron junto a un equipo del Instituto Max Planck de Inteligencia Biológica, donde un grupo de investigación Lise Meitner dirigido por el Dr. Daniele Vallentin se centra en los circuitos neuronales responsables de la coordinación de movimientos precisos en las aves.
"Utilizando los mismos tipos de mediciones, pudimos demostrar que, en los pinzones cebra, la organización espacial de las vías nerviosas que conectan la retina y el cerebro medio sigue un principio similar", dice el Dr. Vallentin. Y añade: "Este hallazgo fue sorprendente, dado que las aves tienen una agudeza visual significativamente mayor y la distancia evolutiva entre las aves y los mamíferos es considerable".
Las observaciones de los investigadores sugieren que las células ganglionares de la retina, tanto en el tectum óptico como en el colículo superior, muestran una organización espacial y un cableado funcional similares. Sus hallazgos llevaron a los investigadores a concluir que los principios descubiertos deben ser cruciales para el procesamiento visual en el cerebro medio de los mamíferos. Estos principios pueden incluso ser de naturaleza general, aplicándose a todos los cerebros de vertebrados, incluidos los de los humanos.
Pensando en el futuro desarrollo de estos descubrimientos el Dr. Kremkow dice: "Ahora que comprendemos las conexiones funcionales, tipo mosaico, entre las células ganglionares de la retina y las neuronas del colículo superior, seguiremos explorando la forma en que se procesan las señales sensoriales en el sistema de la visión, específicamente en las regiones del cerebro medio, y cómo contribuyen al comportamiento reflexivo guiado por la visión". Otras de las prioridades del equipo es establecer si el nuevo método podría utilizarse en otras estructuras y si podría emplearse para medir la actividad axonal en otras partes del cerebro. Si esto fuera posible, se abriría una gran cantidad de nuevas oportunidades para explorar los mecanismos subyacentes del cerebro.
No son muchos los días en que se anuncia un descubrimiento pionero en el campo de la neurociencia, así que este estudio será materia para muchas investigaciones posteriores y abre un campo de probabilidades cada vez mayor para la comprensión del funcionamiento del sistema visual y la posibilidad de desarrollar tecnologías y tratamientos que puedan remediar problemas visuales y eventualmente sanar completamente la ceguera como pretende hacer Neuralink y otras técnicas como la optogenética, de la que te hemos hablado en otros artículos, que ya ha probado ser capaz de devolverle la vista a personas con ceguera.
