Un GPS para el cerebro

Escribe Alejandra Folgarait

 Fotos: Laboratorio de Neuroimágenes (UCLA) y Centro de Imágenes Biomédicas Martinos (MGH);  EPFL/Blue Brain Project. www.humanconnectome.org

Tarde, pero seguro, llega la década del cerebro. Si bien el presidente de Estados Unidos George Bush la anunció en 1990, el campo científico todavía no estaba entonces maduro para emprender la exploración minuciosa de la mayor terra incognita del planeta, nuestro cerebro. Los avances producidos en los últimos años  –y la competencia de los investigadores europeos en este tema– parecen haber convencido al presidente estadounidense Barack Obama de que es hora de apostar otra vez a la investigación del cerebro.

“Cada dólar que invertimos en mapear el genoma humano devolvió 140 dólares a nuestra economía”, dijo Obama en su reciente mensaje nacional. “Hoy nuestros científicos están mapeando el cerebro humano para encontrar las respuestas al Alzheimer, regenerar órganos dañados y diseñar nuevos materiales para hacer las baterías diez veces más poderosas. Ahora es el tiempo de invertir en ciencia e innovación”, anunció.

Siguiendo este propósito, Obama lanzará en marzo una gran iniciativa para mapear la actividad de las 100.000 millones de neuronas del cerebro humano. Hasta ahora, el único mapa completo de las conexiones neuronales en un organismo es el del gusano C. elegans, que tiene sólo 302 neuronas, 7000 conexiones y ningún órgano central como el cerebro humano.

El Brain Activity Map (BAM, o Mapa de Actividad del Cerebro) es un proyecto muy ambicioso, acaso demasiado. Pero los 800.000 millones de dólares que produjo indirectamente el Proyecto Genoma Humano –según estimaciones de fuentes privadas– y la popularidad que alcanzó en todo el mundo son buenos argumentos para apretar el acelerador durante los próximos quince años en un megaproyecto del cerebro. La idea básica es desarrollar una especie de GPS del cerebro con la ayuda de nuevas nanotecnologías, biología sintética y sistemas ópticos.

La magnitud del proyecto aún no está definida, aunque se estima que involucrará a 30 o 40 laboratorios científicos de distintas partes del mundo. El presupuesto para llevarlo a cabo podría superar los 3000 millones de dólares. Instituciones de Inglaterra y Alemania ya dijeron que participarán en el megaemprendimiento futuro que liderará Estados Unidos. Pero hay que ver si se hace.

En verdad, ya existen por lo menos dos proyectos en marcha para mapear el cerebro humano. Uno es el Proyecto Conectoma Humano, que comenzó en 2008 en los Estados Unidos para descubrir la arquitectura del cerebro y sus billones de conexiones neuronales a través de imágenes obtenidas por resonancia magnética en las universidades de Harvard, Washington, Minnesota y California en Los Ángeles (UCLA).

Esta investigación ya reveló que las neuronas no se ubican al azar en el cerebro, sino que se estructuran en grillas como las calles de una ciudad. “Estudiamos las conexiones entre distintas regiones del cerebro”, aclara Arthur Toga, director del Laboratorio de Neuroimágenes de la UCLA, “pero no sabemos todavía si formaremos parte de la iniciativa Obama, aún no recibimos un dólar”, dice el neurólogo a EG.

El otro gran proyecto conectómico se lleva a cabo en la Unión Europea y busca reconstruir digitalmente los circuitos neuronales del cerebro humano. El Blue Brain Project, que utiliza una supercomputadora de IBM en Suiza para simular virtualmente el cerebro humano neurona por neurona, se integró recientemente al Human Brain Project europeo, que recibió financiamiento  por 1300 millones de dólares para investigar el cerebro durante diez años. Más de 80 instituciones científicas europeas ya están dedicadas a obtener un cerebro virtual y al mismo tiempo desarrollar nuevas herramientas computacionales. ¿Invertirán los europeos en el nuevo proyecto del cerebro que quiere liderar Estados Unidos? Lo más probable es que compitan desde el otro lado del Atlántico.

Por su parte, el Instituto Allen para las Ciencias Cerebrales, en Estados Unidos, también difundió el año pasado un atlas de los genes activos en el cerebro. Con tantos mapas dando vueltas, muchos se preguntan por qué generar un nuevo megaproyecto para descubrir el conectoma (las conexiones neuronales del cerebro).

“Obama está interesado en invertir en un mapa de la actividad del cerebro y no en un simple conectoma que especifique el número, origen y destino de las conexiones del cerebro. El proyecto europeo se enfoca en las conexiones estructurales y por eso el mapa de actividad cerebral es un desafío mayor”, explica Jordan Grafman, director del Laboratorio de Neurociencia Cognitiva y profesor de la Universidad Northwestern, en Chicago. “Ahora empiezan meses de debate sobre los alcances del proyecto. Y hay que ver si el Congreso aprueba el presupuesto para esta iniciativa”, anticipa el neuropsicólogo norteamericano.

“El Proyecto Conectoma que se está realizando en estos momentos sólo estudia la estructura del cerebro. El BAM, en cambio, pretende enfocarse en el funcionamiento cerebral”, aclara Rafael Yuste,  investigador de la Universidad de Columbia y codirector de la Fundación Kavli, en Estados Unidos. “No se trata de redireccionar el dinero con el que ya se financian estudios neurobiológicos en Estados Unidos, sino de contar con una partida extra en el presupuesto nacional para sostener la investigación de la actividad del cerebro durante una o dos décadas”, agrega Yuste, quien se recibió de médico en su España natal, se doctoró en neurobiología en Estados Unidos y es uno de los diez científicos que pergeñó el proyecto BAM, que será presentado en la Casa Blanca a mediados de marzo.

“En mi opinión, el Brain Activity Map que propone la administración de Obama aporta más que el proyecto del conectoma porque no se interesa únicamente por cómo se conectan entre sí las distintas partes del cerebro, sino que apunta a comprender cómo distintas redes neuronales funcionan, cómo pueden verse afectadas frente a distintos procesos patológicos, y cómo podría contribuir este conocimiento para la rehabilitación de pacientes”, apunta Ezequiel Gleichgerrcht, investigador argentino de Ineco.

En la frontera

“Los neurocientíficos han sido capaces hasta ahora de inferir a grandes rasgos las funciones de ciertas regiones cerebrales estudiando a pacientes con lesiones en la cabeza, con tumores cerebrales y otras enfermedades neurológicas. También midieron el nivel de consumo de glucosa u oxígeno en personas normales mientras realizaban algunas actividades. Pero resulta claro que estas inferencias son demasiado simplistas”, reflexionó recientemente Francis Collins, director de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de Estados Unidos.

La resonancia magnética y el PET abren novedosas ventanas al cerebro, pero su resolución no alcanza para enfocar lo que ocurre a nivel de los circuitos cerebrales. “Los sistemas para escanear el cerebro actualmente sólo permiten observar regiones cerebrales, no neurona por neurona. La idea básica del BAM es desarrollar microscopios láser especiales para ver, mediante luz infrarroja, lo que ocurre dentro del cerebro en el nivel de la neurona”, detalla Rafael Yuste a EG.

Para empezar, el BAM se propone estudiar el sistema nervioso de organismos como el pez cebra, la mosca de la fruta y el ratón, antes de poner manos a la obra con el cerebro humano. El primer paso es desarrollar nueva tecnología óptica para estudiar los circuitos neuronales. Luego habrá que utilizar nanodetectores y diseñar células que puedan penetrar en el cerebro para monitorear allí diversos parámetros de su funcionamiento.

Rafael Yuste subraya la importancia de registrar la actividad eléctrica de cada neurona cuando trabaja en conjunto con otras para aprender, recordar, emocionarse, resolver problemas, tomar decisiones y expresar ideas mediante el lenguaje.

 “Los mecanismos de la percepción, la cognición y la acción aún son misteriosos porque emergen de la interacción de millones de neuronas que están densamente interconectadas formando circuitos neuronales extendidos. Estas propiedades emergentes ocurren a una escala intermedia entre la célula y la totalidad del cerebro, un nivel que hoy no podemos alcanzar porque no tenemos las herramientas para mapear las funciones a esta escala”, señalan los científicos propulsores del BAM.

 “El proyecto BAM será el puente que permitirá registrar y manipular la actividad de circuitos neuronales enteros y eventualmente cerebros completos con una precisión de neurona individual”, escribieron Yuste y sus colegas en la revista Neuron. “Si uno pudiera hacer estas mediciones de alta resolución en circuitos funcionales y correlacionarlas con su contrapartida anatómica y con las consecuencias en la conducta, uno podría entender cómo el sistema nervioso produce un comportamiento y la actividad mental”, apuestan.

Con las nuevas herramientas desarrolladas por el BAM, se podrá visualizar cómo se propagan las descargas epilépticas neurona por neurona. “Eventualmente, se podría desarrollar una terapia para frenar las convulsiones bloqueando la actividad de neuronas clave”, apunta Yuste. En la mira de los científicos también están la esquizofrenia, la depresión, el trastorno obsesivo-compulsivo y el autismo. Además, los participantes del BAM se proponen mejorar los dispositivos que permiten manejar prótesis y computadoras con el cerebro, de modo de ayudar a cuadripléjicos y rehabilitar a enfermos con Parkinson y otras enfermedades neurodegenerativas. ¿No será mucho?

Mente y cerebro

Los proyectos sobre el conectoma suponen que la mente humana es el producto de la actividad del cerebro y ésta depende de los mensajes que circulan a través de las neuronas.

Las neuronas no se tocan entre sí, pero se comunican a través del espacio (sinapsis) que existe entre sus prolongaciones (axones y dendritas). Una neurona puede establecer 10.000 conexiones con otras. Así se forman circuitos y redes neuronales.

Se sabe que los mensajes nerviosos se transmiten a través de pulsos eléctricos que circulan por las membranas neuronales y, también, mediante compuestos químicos (neurotransmisores) que se liberan en las prolongaciones terminales de las neuronas (axones). Gracias a esta combinación de señales eléctricas y químicas, se estimula o inhibe la transmisión nerviosa y el cerebro elabora respuestas y decide acciones.

Aunque este proceso se conoce hace años, aún no es claro cómo operan en conjunto las neuronas de la corteza cerebral y de los núcleos grises que están ubicados en las profundidades  del cerebro para generar comportamientos humanos normales y patológicos.

Comprender qué es la mente a partir de su base material, el cerebro, es una de las cuestiones más complejas del universo. Si para el filósofo Heidegger ser es estar en el mundo, para el físico y neurocientífico  Sebastian Seung, del MIT,  “yo soy más que mis genes, soy mi conectoma”. Por lo tanto, descifrando los secretos del conectoma se podrá acceder no sólo al funcionamiento cerebral, sino también a la psicología humana.

¿No es muy reduccionista pensar que se comprenderá la mente al mapear la estructura y funcionamiento de las neuronas? “Sí, absolutamente reduccionista –reconoce Yuste–. No pensamos que haya nada más que física y química”.

“El Brain Activity Map nos ofrecerá una mirada sin precedentes de la actividad de los circuitos cerebrales. Entraremos en territorios inexplorados que nos llevarán a nuevos descubrimientos neurocientíficos. Y veremos los procesos internos de la mente por primera vez en la historia”, se entusiasman los científicos de Estados Unidos.

El desafío es enorme y algunos dudan de que el BAM llegue a revelar algún día las claves de la mente humana. Hay entre 100 y 500 billones de conexiones entre las neuronas cerebrales y, además, hay otras células en el cerebro –conocidas como “glía”– que cada vez tienen un papel más importante en la salud y la enfermedad.

Como si esto fuera poco, ahora se sabe que el cerebro es plástico y sus conexiones se reestructuran frecuentemente al envejecer, almacenar algo aprendido en la memoria, frente a cambios en la nutrición o experiencias traumáticas. “Cada conectoma es único”, explicó Seung durante una conferencia TED.  ¿Cómo se reflejará esta dinámica en los mapas tridimensionales que dibujarán los científicos en los laboratorios? “Al comienzo mapearemos sólo la actividad de los circuitos cerebrales durante un período de unos cinco minutos”, aclara Yuste. “Según aprendamos a desarrollar mejores técnicas, estudiaremos a los mismos animales (o sujetos humanos) durante más tiempo y a distintas edades”.

Los investigadores deslizan que las nuevas técnicas a desarrollar podrían incluir el control del cerebro mediante dispositivos inalámbricos implantados. ¿Sería ético someter a experimentos de este tipo a seres humanos? Que la agencia de defensa norteamericana Darpa esté interesada en financiar el proyecto BAM no hace más que incrementar las teorías conspirativas sobre el control mental al que puede dar lugar el megaproyecto del cerebro.

Como sea, la decisión de Obama les dará un formidable empuje a los exploradores del último territorio salvaje humano. “Somos nuestros cerebros. Ellos almacenan y representan nuestras creencias, intenciones, actos sociales, razonamientos y todo lo que hacemos”, subraya el psiconeurólogo  Grafman. “Por lo tanto, entender nuestros cerebros es clave si pretendemos tener un rol en nuestra propia evolución que eventualmente nos lleve a colonizar lugares más allá del Sistema Solar”. 

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