Uno de los principales desafíos de la neurociencia es el poder registrar con fidelidad la actividad neuronal del cerebro, ya sea de un modo panorámico como con un enfoque específico en el córtex motor o otra región cerebral. Aún no ha transcurrido ni siquiera un siglo desde que la tecnología avanzó hasta el punto de poder echar un vistazo a los patrones eléctricos 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.
La necesidad de que esta tecnología se refine tiene muchas motivaciones, como las de contar con un método más preciso para diagnosticar tumores o el impacto de un derrame cerebral, así como el ideal de poder estar al tanto de los patrones de información neuronal a un nivel mucho más específico, lo que sería equivalente a poder hallar la aguja en el pajar del tejido neuronal. Esto generaría una revolución tanto para la neurociencia como para la medicina en general, ya que la mayoría de las enfermedades más graves tienen su correlato en ciertos problemas neurológicos, y comprenderlos de mejor manera nos aproximaría a la formulación del remedio preciso.
Es por esto que la comunidad científica recibirá con gran expectación el logro de un grupo de investigadores del Baylor College of Medicine y otras instituciones colaboradoras, que informaron a través de un artículo publicado en la revista Cell de un nuevo sensor que permite a los neurocientíficos obtener imágenes de la actividad cerebral sin perder señales, durante un tiempo prolongado y a mayor profundidad del cerebro de lo que era posible hasta ahora.
El santo grial de la neurociencia
"La actividad eléctrica del cerebro no sólo es muy rápida, sino que también implica una variedad de tipos de células que tienen diferentes funciones en los cálculos cerebrales", dijo uno de los autores, el Dr. François St-Pierre, profesor asistente de neurociencia y becario McNair en Baylor. También es profesor adjunto de ciencias eléctricas e informáticas en la Universidad de Rice. "Ha sido un reto averiguar cómo observar de forma no invasiva la actividad eléctrica de milisegundos en neuronas individuales de tipos celulares específicos en animales que desarrollan una actividad. Poder hacerlo ha sido el santo grial de la neuroimagen".
Por supuesto que actualmente existen diversas tecnologías para medir la actividad eléctrica del cerebro, sin embargo ninguna tiene la suficiente precisión para distinguir señales más específicas. "Por ejemplo, los electrodos pueden registrar una actividad muy rápida, pero no pueden decir qué tipo de células están escuchando", dijo St-Pierre. Otros investigadores también están utilizando proteínas fluorescentes que responden a los cambios de calcio asociados a la actividad eléctrica. Estos cambios de fluorescencia pueden seguirse con un microscopio de 2 fotones. "Este tipo de sensor es excelente para determinar qué neuronas están activas y cuáles no. Sin embargo, son muy lentos. Miden los cambios de voltaje de forma indirecta, por lo que se pierden muchas señales clave".
El objetivo de St-Pierre y sus colegas era combinar lo mejor de estas metodologías, es decir, desarrollar un sensor que pueda monitorizar la actividad de tipos de células específicos y, al mismo tiempo, captar señales cerebrales rápidas. "Lo hemos conseguido con una nueva generación de proteínas fluorescentes de ingeniería denominadas indicadores de voltaje codificados genéticamente o GEVIs", dijo St-Pierre.
Los coautores del estudio -Zhuohe (Harry) Liu, Xiaoyu (Helen) Lu y Yueyang (Eric) Gou- crearon y utilizaron un sistema automatizado que proporciona una forma mejor y más eficiente de diseñar y optimizar los indicadores de voltaje fluorescentes para la microscopía de dos fotones, el método estándar para la obtención de imágenes no invasivas de tejidos profundos en neurociencia.
"Con este sistema, probamos miles de variantes de indicadores e identificamos el JEDI-2P, que es más rápido, más brillante y más sensible y fotoestable que sus predecesores", dijo Liu, estudiante de posgrado en Ingeniería Eléctrica e Informática en Rice que trabaja en el laboratorio de St-Pierre.
"Con el JEDI-2P hemos resuelto tres importantes inconvenientes de los métodos anteriores", afirma Lu, estudiante de posgrado del programa de Biología Física, Sintética y de Sistemas (SSPB) de Rice que trabaja en el laboratorio de St-Pierre.
"En primer lugar, nos permite seguir la actividad eléctrica de un animal vivo durante 40 minutos en lugar de unos pocos minutos como máximo. En segundo lugar, podemos obtener imágenes de picos de actividad eléctrica con una resolución temporal de aproximadamente un milisegundo, y en tercer lugar, podemos obtener imágenes de células individuales a mayor profundidad en el cerebro porque nuestro indicador es brillante y produce grandes señales en respuesta a la actividad cerebral."
Hasta ahora, los investigadores se limitaban a observar la superficie del cerebro, "pero la mayor parte de la actividad cerebral no se limita, obviamente, a las primeras 50 micras por debajo de la superficie del cerebro", dijo St-Pierre. "Nuestra metodología permite a los investigadores monitorizar por primera vez de forma no invasiva las señales de voltaje en las capas profundas del córtex", dijo Gou, antiguo miembro del laboratorio de St-Pierre que ahora forma parte del Programa de Postgrado en Neurociencia de Baylor.
Esta nueva capacidad del método desarrollado por el equipo es un salto en adelante casi sin precedentes en la neurotecnología. Un factor que podría transformar el entendimiento que tenemos sobre lo que ocurre en las capas más profundas del cerebro. Por supuesto que esto está siendo probado en distintos animales primero, con el fin de probar la efectividad y seguridad del método. Entre los logros que ya están probados está el poder informar sobre la actividad eléctrica en ratones utilizando equipos de imagen disponibles en muchos laboratorios de neuroimagen, así como en retinas y moscas.
"En 2014, hice una presentación en la reunión de la Sociedad de Neurociencia sobre la primera versión de este indicador y la gente puso los ojos en blanco. Pensaban que la obtención de imágenes rápidas de voltaje con indicadores fluorescentes nunca sería posible en animales despiertos debido al tremendo desafío técnico que supone la obtención de imágenes de la actividad a escala de milisegundos", dijo St-Pierre. "Ocho años después, hemos logrado este objetivo. Y todavía hay margen para evolucionar el indicador: ¡no será el último JEDI!".
El desarrollo de esta tecnología de vanguardia, y otros métodos como la optogenética de la que te contamos en otro de nuestros artículos, es una prueba más de la invención humana y la capacidad de penetrar cada vez más profundo en los misterios del cerebro. Algo que también están tratando de hacer las compañías que desarrollan interfaces cerebro-computador, como Neuralink, la empresa cofundada por Elon Musk en 2016, cuya tecnología también pretende registrar la actividad eléctrica de las neuronas y estimularlas con impulsos eléctricos teledirigidos con funciones específicas.
El apoyo de nuevas tecnologías para registrar más profundamente la actividad neuronal sin duda será una ayuda para el desarrollo de estas interfaces, con las que se pretende remediar diversos problemas neurológicos y devolver la libertad digital a personas parapléjicas, entre otros objetivos. Mientras mejor sepamos qué ocurre en nuestros cerebros más posibilidades se abrirán para que la ciencia y la medicina solucionen algunas de las condiciones y enfermedades más devastadoras que enfrentamos, como el Alzheimer o los derrames cerebrales.
