Tratar de entender lo que ocurre dentro del cerebro sería imposible sin las herramientas necesarias para grabar la actividad neuronal. Poder registrar de una forma eficiente y precisa la actividad neuronal del cerebro, ya sea de un modo panorámico o con un enfoque específico en el córtex motor, es una de las prioridades de la neurociencia y la neurotecnología. Es tan simple como la necesidad de escuchar lo que alguien dice en otro idioma para poder entenderlo. Antes de un traductor, necesitas poder oír lo que te están diciendo.
Y en el caso del cerebro el idioma ha decodificar y traducir son los impulsos electroquímicos conocidos como sinapsis. Aún no ha transcurrido ni siquiera un siglo desde que la tecnología avanzó hasta el punto de poder echar un vistazo a estos patrones que constituyen el idioma con que se comunican unas neuronas con otras, pero todavía los métodos usuales como los escáneres dejan mucho que desear, ya que apenas nos permiten percibir lo que ocurre dentro de nuestras cabezas de un modo similar a alguien que trata de escuchar un concierto desde fuera del estadio.
Es por esto que, en el caso de las interfaces neuronales, como la que desarrolla Neuralink, la compañía de Elon Musk, es preferible un dispositivo implantado directamente en la superficie cerebral. Mientras más de cerca registras esta actividad mejores señales recibirás, lo que equivale a datos más claros y precisos. El santo grial de esta tecnología sería un sistema capaz de grabar la actividad completa de los billones de sinapsis que ocurren cada momento en el cerebro.
Ese objetivo está en la mente de un equipo de pioneros liderados por el neuroingeniero de la Universidad de Rice Chong Xie. En un estudio publicado recientemente en Nature Biomedical Engineering, Xie y sus colegas describen su último logro hacia ese objetivo, una guía de electrodos en 3D que les permite cartografiar la ubicación y la actividad de hasta un millón de posibles enlaces sinápticos en un cerebro vivo, basándose en las grabaciones de la evolución a escala de milisegundos de los pulsos eléctricos en decenas de miles de neuronas en un milímetro cúbico de tejido cerebral.
"Lo novedoso de este trabajo es la densidad de registro", afirma Xie, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en Rice y miembro principal de la Iniciativa de Neuroingeniería de Rice. "Los microcircuitos del cerebro son muy misteriosos. No tenemos muchas formas de cartografiar su actividad, sobre todo volumétricamente. Queremos realizar grabaciones muy densas del córtex porque son importantes, desde el punto de vista científico, para entender cómo funcionan los circuitos cerebrales."
Xie colaboró en el estudio con colegas de Rice y de la Universidad de California en San Francisco, entre ellos Loren Frank, de la UCSF, y el coautor Lan Luan, de Rice. Las neuronas son pequeñas. Cada milímetro cúbico de tejido cerebral contiene unas 100.000. Esa densidad es más o menos la misma para los humanos y otros mamíferos, incluidos los roedores que son objeto de los experimentos del laboratorio de Xie.
La capacidad de procesamiento del cerebro surge de las conexiones sinápticas entre neuronas. Los pares de neuronas sinápticas están conectadas por estrechos puentes de tejido llamados axones, que tienen apenas una millonésima parte de un metro de diámetro. El equipo de Xie lleva años desarrollando un material llamado hilo nanoelectrónico (NET) que es fino, ultraflexible y biocompatible, una trifecta de propiedades para hacer implantes de electrodos mínimamente invasivos. En estudios anteriores, el equipo de Xie demostró técnicas para implantar matrices de NET estrechamente empaquetadas de hasta 128 electrodos. Los investigadores también demostraron que sus matrices podían permanecer en su sitio hasta 10 meses, registrando los picos de electricidad pulsados, o potenciales de acción, en las neuronas cercanas.
"Cuando las neuronas disparan potenciales de acción, salen de ellas señales eléctricas muy débiles", explica Xie. "Hay que colocar los electrodos muy cerca de cada neurona para captar esa señal. Normalmente, eso significa una distancia inferior a 100 micras".
El uso de electrodos para registrar los picos neuronales ha sido una técnica primordial en la neurociencia durante décadas, pero la evolución de los materiales de los electrodos ha transformado gradualmente la implantación de los electrodos neuronales, pasando de procedimientos muy invasivos que dañaban el propio tejido cerebral que los electrodos debían medir a procedimientos que no provocan ningún daño tisular medible.
Uno de los principales objetivos del laboratorio de Xie es aumentar el tamaño de sus conjuntos de implantes. En el nuevo estudio, Xie y sus colegas, entre ellos Hanlin Zhu, uno de los principales estudiantes de posgrado del proyecto, implantaron conjuntos de 1.024 electrodos NET en un volumen de tejido cerebral de un milímetro cúbico.
"Las principales señales que tratamos de medir son los picos eléctricos procedentes de las neuronas", explica Xie. "Así es como se comunican. Y algo que nos preocupa mucho y que queremos comprender es cómo se conectan las neuronas".
Xie dijo que no hay una forma directa de sondear las conexiones sinápticas: "Los axones pueden ser muy largos, y cada neurona puede estar conectada por muchos miles de otras", dijo. "Es una red muy, muy, muy desordenada. Y sondearla es una tarea extremadamente difícil, especialmente mientras el cerebro está funcionando".
La densidad de la nueva guía de electrodos, junto con su capacidad para captar los cambios milisegundo a milisegundo en los picos eléctricos de las neuronas individuales, permitió a Xie y sus coautores descifrar los posibles vínculos sinápticos entre pares de neuronas.
"Cuando la sinapsis funciona, se suele ver un patrón típico cuando se observa la actividad de disparo de las dos neuronas", dijo Xie. El impulso eléctrico que se inicia en las neuronas presinápticas tarda un poco en propagarse por el axón y activar la neurona postsináptica, dijo.
"Registramos muchos, muchos picos, y luego tenemos que clasificar los picos y atribuir cada uno de ellos a neuronas individuales", dijo. "Conocemos la ubicación de cada electrodo, o canal. Y cada canal no registra más que unas pocas neuronas a la vez. Además, cada neurona suele ser registrada por más de un contacto. Así que se puede hacer algo parecido a la triangulación para identificar la ubicación de las neuronas individuales".
Una vez mapeadas las neuronas, es relativamente fácil calcular la distancia entre ellas y, a partir de ahí, el tiempo de propagación de la activación sináptica. La matriz de 1.024 electrodos dio al equipo de Xie una proporción de aproximadamente un electrodo por cada 100 neuronas en el volumen de milímetros cúbicos de tejido cerebral estudiado. El laboratorio está trabajando en la creación de matrices más densas que incluyan más electrodos en el mismo volumen.
La gran mayoría de las neuronas del cerebro de las personas no se utilizan, a pesar de que nuestro cerebro suele consumir tanta energía como la que puede suministrar el cuerpo. Los neurocientíficos no entienden del todo por qué el cerebro tiene tantas neuronas sin utilizar, y Xie dijo que ese es un factor que su equipo tiene en cuenta en el diseño de sus matrices de electrodos.
"Quiero capturar la mayor cantidad de interactividad posible", dijo. "Yo diría que no necesitamos una proporción de 1 a 1 entre electrodos y neuronas para captarla toda, y de hecho mi sueño es captar toda la interactividad".
Su sueño es un objetivo muy difícil de lograr, pero no es la primera vez que un grupo de investigadores y científicos se propone lograr lo que antes no cabía dentro de las posibilidades. Aunque no se capte la actividad de todas las neuronas del cerebro, como plante Xie, poder lograr registrar la actividad de un gran porcentaje sería un enorme paso para los esfuerzos de la neurociencia en comprender cómo funciona nuestro cerebro y la responsabilidad de las distintas comunidades neuronales en tareas tan compleja como la memoria o el aprendizaje. También sería un trampolín tecnológico para que interfaces neuronales como Neuralink puedan resolver problemas neurológicos con una precisión sin precedentes.
