Garuneko aktibitatea argitan

2022/03/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

Neurologoen erronka bat da garunaren aktibitatea fisikoki ikustea. Argia erabilita. Aurrerapauso handia izango litzateke neuronek taldeka nola funtzionatzen duten ikertu ahal izateko. Horretarako, neurologoak eta fisikariak elkarrekin hasi dira lanean; ikerketa-lerro berri bat zabaldu dute Donostiako fisikariek eta Columbia Unibertsitateko neurologoek, Donostia International Physic Center-en, neuronen aktibitatea ikusgai bihurtzeko.
Arg. Pixabay

Neuronek taldeka egiten dute lan, ez bakarka. Izan ere, garunaren funtzionamendua ulertzeko, ez da nahikoa neuronak banaka ikertzea. “Ez da ordenagailu batean bezala, non informazioa transistoreetatik pasatzen baita, eta haietako bakoitzean gertatzen baita konputazioa”, dio Aitzol Garcia-Etxarri DIPC zentroko ikertzaileak. “Ideiek neurona-taldeak pizten dituzte. Amonarengan pentsatzen dugunean, adibidez, neurona-talde bat eta neurona-talde hori bakarrik aktibatzen da. Aurkikuntza pila bat egiten ari dira gaur egun neurologoak, baina, hala ere, ez dugu ulertzen nola konputatzen dugun hori”. 

“Ez dago onartutako teoria orokor bat garunak nola funtzionatzen duen jakiteko. Eta urruti gaude horretatik”, adierazi du Rafael Yuste Columbia Unibertsitateko neurologoak; garunaren ikerketaren erreferente bat munduan, eta Garcia-Etxarrirekin batera dihardu ikerketan. Yuste, BRAIN proiektuaren burua da, giza garunaren jardueraren mapa bat egin nahi duen proiektuarena. 

“Garuna asko ikertu da zelulen eta molekulen mailan”, dio Yustek. “Horri buruz asko dakigu: neuronek bakarka nola funtzionatzen duten, zer molekula dituzten, zer propietate biofisiko dituzten eta abar. Eta asko dakigu neuronen arteko konexioez ere. Plastikotasun sinaptikoa, sinapsien funtzionamendua, intentsitate handiz aztertu da. Baina neurona-taldeen jarduerak nola akoplatzen diren eta zer egiten duten elkarrekin... Hori beste kontu bat da. Hor, jakinduriaren hutsune handi bat dugu”. 

Eta neurona-taldeen jarduera bistaratzea izan daiteke gako bat zenbait prozesu ulertzen hasteko. Ideiak nola gordetzen dira? Edo nola funtzionatzen dute epe luzeko eta epe laburreko memoriek? Nola ikasten dugu? Edo zer gertatzen da gaixotasun neurologiko bakoitzean? Galdera handiak dira, eta agian erantzun osoa ez dago garuneko jarduera-patroietan gordeta, baina, oraingoz, zientzialariek ikusi nahi dute jarduera hori, fisikoki ikusi. Eta, hori lortzeko, fisikariengana jo dute. 

“Ikerketa-lerroa NanoNeuro deitzen da, nanozientzia eta neurozientzia uztartzen dituelako. Azkenean, garunean erabil litezkeen nanoerremintak fabrikatu nahi ditugu”, dio Yustek. 

Aktibitatea ikustea 

Aitzol Garcia-Etxarri. Fisikaria. Donostia International Physic Center.

Yustek berak garuna ikertzeko metodo berri bat asmatu zuen: kaltzioaren bidezko irudikatzea (calcium imaging). Metodo horren oinarria da neuronak fluoreszente bihurtzea, neuronen mintzean bertan fluoreszentziaren proteina batzuk gehituta. Proteina horiei esker, neuronak kaltzioa xurgatzen edo isurtzen duenean, neurona bakoitzak argi-izpi bat igortzen du. Eta kaltzioaren dinamika neuronaren jarduerarekin lotuta dago. Proteina horiek neurona guztietan gehituta, gaur egun, milaka neuronak aldi berean nola funtzionatzen duten ikus daiteke. 

“Yusteren metodoak arazo bat du”, dio Garcia-Etxarrik. “Proteina fluoreszentea gehitzeko, neuronetan aldaketa genetikoak eragin behar dira, neuronak berak proteinak sintetiza ditzan. Hori baliagarria da laborategiko ikerketarako, baina aldaketa genetiko horiek ezin dira egin bizirik dagoen pertsona batean. Aldaketa genetikoak ez daude baimenduak gaur egun, eta espero dut inoiz ez baimentzea”. 

Badira ordezko metodo batzuk garunaren jarduera irudikatzeko, baina ez dute benetan neuronen jarduera elektrikoa irudikatzen. Alde batetik, erresonantzia magnetiko nuklear funtzionalaren bitartez (RMNf), garuneko odol-jarioa ikusten da, hau da, zenbat odol eta non “eskatzen” duen garunak lanean ari denean. Beste alde batetik, positroien bidezko tomografiak (PET) erakusten du glukosaren kontsumoa zer-nolakoa den garunean; alegia, neuronen energia-eskariaren mapa bat osatzeko balio du. Nolanahi ere, ez kasu batean ez bestean, ez da lortzen zuzeneko jardueraren irudirik. 

DIPCko taldean, ordea, beste soluzio bat proposatzen dute: argia eta nanopartikulak erabiltzea. “DIPC zentroak tradizio handia du nanofotonikaren ikerketan”, azaldu du Garcia-Etxarrik. “Nanofotonika da argia eta nanopartikulen arteko elkarrekintzaren ikerketa. Kasu honetan, bi ikerketa-lerro gara ditzakegu nanofotonika baliatuta”. 

Ikerketa-lerro bakoitzean, nanopartikula-mota bat erabili behar dute, berezko helburu bana dutelako. Batetik, puntu kuantikoak erabiliko dituzte neuronen aktibitatea bistaratzeko. Eta, bestetik, urrezko nanopartikulak erabili nahi dituzte neuronetan aktibitatea eragiteko. 

Argiaren kolorea manipulatzea

Rafael Yuste. Neurologoa. Columbia Unibertsitatea.

Puntu kuantikoak aspaldian aurkitu zituzten, 1980an. Berez, ia edozein molekulak bezala funtzionatzen dute. Haren elektroiak mailatan antolatuta daude, energiaren arabera. Argiak molekula bat jotzen duenean, energia egokia badu (alegia, kolore egokia badu), elektroi batek energia handiagoko maila batera egin dezake salto. Baina, gero, elektroi hori jatorrizko mailara itzuliko da, energia gehigarria askatuta argi-forman. Argia igorriko du. Molekula hori puntu kuantiko bat bada, ordea, inguruan dituen eremu elektromagnetikoekiko sentikorra da; eremu elektromagnetikoak erabilita, elektroien energiaren mailak handiagoak edo txikiagoak egin daitezke, eta igortzen duen energia-kantitatea kontrolatu daiteke. Azkenean, igortzen duen argiaren kolorea manipula daiteke. 

DIPCren proposamena da, hain zuzen ere, neuronen jarduerarekin batera doan elektrizitatea bera erabiltzea inguruko eremu elektromagnetiko gisa. “Neuronek seinale elektrikoekin funtzionatzen dute”, azaldu du Garcia-Etxarrik. “Puntu kuantiko bat neuronaren mintzean itsasten badugu, mintzak aktibitatea izan ala ez, igortzen duen kolorea aldatuko da elektroiak salto egitean”. Ikertzaileek argi infragorriz argituko dute neurona, eta neuronak argi ikusgaia bueltatuko die; eta, hain zuzen ere, argi horren kolorearen arabera, jakingo dute neurona hori aktibo dagoen ala ez. Horregatik, neurona-taldeen aktibitatea irakurtzeko, tresna nanoskopiko egokiak dira puntu kuantikoak. 

Urrea eta beroa

Aurrerapauso handia da neurona-taldeen aktibitatea irakurri ahal izatea, baina hori ez da nahikoa ikerketarako. Proiektuaren bigarren helburua aktibitate hori eragitea da. Neurona jakin batzuk aktibatuta, neurologoek aztertu nahi dute garunak nola erantzuten duen. Horretarako ere fisikarien beharra dute. Hain zuzen ere, DIPC zentroko fisikarien bigarren helburua da neurona jakin batzuetan aktibitatea piztuko duen tresna bat garatzea; oso modu zehatzean lan egingo lukeen tresna bat, behar izanez gero neuronak banaka aktibatzen dituen tresna bat. 

Ideia sinplea da. Lupa batek Eguzkiaren argia kontzentratzen duen bezala, efektu hori bera eskala nanoskopikoan eragiten duten partikulak erabili nahi dituzte. Eta horretarako material egokia urrea da. “Urrezko nanolupak deitu diegu. Argiak jotzen dituenean, izpiak kontzentra ditzakete puntu batean, fabrikatu dezakegun edozein lupak baino gune txikiago batean. Izpiak kontzentratzen diren tokia berotu egiten da, eta bero horrek berak aktibarazten ditu neuronak”, azaldu du Garcia-Etxarrik. 

“Bide hori ez da jorratu oraindik”, dio Yustek. “Badira aurrez egindako bi lan; bata, Chicagoko talde batena, eta, bestea, gure New Yorkeko laborategikoarena. Lan horietan, urrezko nanopartikulak erabili izan dira neuronetan aktibitatea eragiteko. Guk saguetan eta hidretan egin genuen (oso nerbio-sistema sinplea duten animalietan). Esperimentu horiek frogatzen dute litekeena dela proiektuaren planteamendu hori zentzuzkoa izatea”. Baina harago joan behar da. Esperimentu horietakoak nanopartikula komertzialak ziren, eta ez berez diseinatutako egiturak. NanoNeuro proiektuan, hori da helburua, alegia, berezko partikulak sintetizatu haiekin nahi duten efektu zehatza eragin ahal izateko. 

Puntu kuantikoetan, argiaren koloreak erakutsiko du aktibitatea dagoen ala ez. ARG.: LuniusAnimatics.

Noski, horretarako, nanopartikulak diseinatu eta egin behar dituzte. Gero, neuronekin lot daitezen, egitura molekular batzuez estali behar dituzte. Eta, azkenik, giza gorputzaren barruan sartzen den edozein materialekin egin den bezala, biobateratasuna ikertu behar dute, inolako efektu kaltegarririk sor ez dezaten. Beraz, nanoluparen ideia sinpleak ikerketa luzea izango du garatu ahal izateko. 

Dena batera

Ikerketak emaitzak ematen baditu, hala ere, bi nanopartikula lortuko dituzte: bata, neuronen jarduera irakurtzeko; eta, bestea, jarduera hori nahi den tokia pizteko. Baina zientzialariek ez dute lan egin nahi bi nanopartikula-motarekin. “Gure helburua da bi propietate horiek aldi berean dituen nanopartikula bakarra diseinatzea. Hori lortzen badugu, garuneko aktibitatea irakurtzeko eta eragiteko gaitasuna duen gailu bat izango dugu”. 

Hori da azken helburua, behintzat DIPC zentroan egingo den zatian. Proiektua mahai gainean dago, jadanik, eta ikerketa-lerro berria irekita. “Ez zaigu inoiz bururatu nanopartikula horien propietateak neurozientzietan ere aplika daitezkeela”, dio Garcia-Etxarrik. “Oso ondo egiten dakigun zerbait da, baina aplikazio zeharo ezberdin batean erabili nahi dugu. Dakigun zerbait ezagutzen ez dugun esparru batean aplikatzea, gutxienez, interesgarria da”. 

Gero, aplikazio hori Columbiako Unibertsitatean ikertuko du Rafael Yusteren taldeak. Yusteren ustez, zientziako aurrerapen asko metodo berriak garatzearen ondorio izaten dira. Eta, hain zuzen ere, espero du Donostian garatutako tresna iraultza txiki bat izatea garunaren ikerketan. Denborak esango du.

Gai honi buruzko eduki gehiago

Elhuyarrek garatutako teknologia