Actividade cerebral á luz
2022/03/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
As neuronas traballan en grupo, non en solitario. E é que paira comprender o funcionamento do cerebro non basta con investigar as neuronas de forma individual. “Non é como nun computador, onde a información pasa polos transistores, e en cada un deles prodúcese a computación”, afirma Aitzol Garcia -Etxarri, investigador do DIPC. “As ideas acenden grupos neuronais. Cando pensamos na avoa, por exemplo, só se activa un grupo neuronal e ese grupo neuronal. Os neurólogos están a facer moitos descubrimentos hoxe en día, pero, con todo, non entendemos como computamos iso”.
“Non existe una teoría xeral aceptada paira saber como funciona o cerebro. E estamos lonxe de iso”, afirmou Rafael Yuste, neurólogo da Universidade de Columbia, referente mundial da investigación cerebral, que colabora con Garcia -Etxarri na investigación. Yuste, lidera o proxecto BRAIN, que pretende realizar un mapa da actividade do cerebro humano.
“O cerebro investigouse moito a nivel celular e molecular”, explica Yuste. “Sabemos moito diso: como funcionan as neuronas individualmente, que moléculas teñen, que propiedades biofísicas teñen, etc. E sabemos tamén as conexións entre neuronas. Estudouse intensamente a plasticidad sináptica, o funcionamento das sinapsis. Pero como se axustan as actividades dos grupos neuronais e que fan xuntos... Iso é outra cousa. Aí temos un gran baleiro de sabedoría”.
E a visualización da actividade dos grupos neurona pode ser una clave paira empezar a comprender algúns procesos. Como se gardan as ideas? Ou como funcionan as memorias a longo prazo e a curto prazo? Como aprendemos? Ou que ocorre en cada enfermidade neurológica? Son preguntas grandes e talvez a resposta non estea almacenada nos patróns de actividade do cerebro, pero, de momento, os científicos queren ver esta actividade fisicamente. E paira conseguilo recorreron aos físicos.
“A liña de estudo chámase NanoNeuro, porque aúna nanociencia e neurociencia. Ao final queremos fabricar nanoherramientas que poidan ser utilizadas no cerebro”, explica Yuste.
Ver actividade
O propio Yuste inventou un novo método de investigación cerebral: a representación con calcio (calcium imaging). Este método baséase na fluorescencia das neuronas mediante a adición de proteínas de fluorescencia na propia membrana neuronal. Grazas a estas proteínas, cando a neurona absorbe ou verte calcio, cada neurona emite un raio de luz. E a dinámica do calcio está relacionada coa actividade da neurona. A adición destas proteínas en todas as neuronas permite coñecer o funcionamento simultáneo de miles de neuronas.
“O método de Yuste ten un problema”, afirma García Etxarri. “A adición de proteínas fluorescentes require cambios xenéticos nas neuronas para que a propia neurona sintetice as proteínas. Isto é útil paira a investigación de laboratorio, pero estes cambios xenéticos non poden facer nunha persoa viva. Os cambios xenéticos non están permitidos na actualidade e espero non autorizalos nunca”.
Existen métodos alternativos paira representar a actividade cerebral, pero non representan realmente a actividade eléctrica das neuronas. Por unha banda, a través da resonancia magnética nuclear funcional (RMNf) obsérvase a hemorraxia cerebral, é dicir, a cantidade de sangue e os lugares nos que o cerebro “pide” durante o traballo. Doutra banda, a tomografía por positrones (PET) mostra o consumo de glicosa no cerebro, é dicir, serve paira elaborar un mapa da demanda enerxética das neuronas. No entanto, en ningún dos dous casos obtense una imaxe da actividade directa.
Con todo, no equipo do DIPC proponse una nova solución: a luz e o uso de nanopartículas. “O DIPC ten una gran tradición na investigación da nanofotónica”, explica García Etxarri. “A nanofotónica é a investigación da interacción entre a luz e as nanopartículas. Neste caso podemos desenvolver dúas liñas de investigación utilizando a nanofotónica”.
En cada liña de estudo deben utilizar un nanotipo, xa que teñen un obxectivo propio. Por unha banda, utilizarán os puntos cuánticos paira visualizar a actividade das neuronas. Doutra banda, pretenden utilizar nanopartículas de ouro paira xerar actividade en neuronas.
Manipulación da cor da luz
Os puntos cuánticos atopáronse hai moito tempo, en letras. En realidade funcionan como case calquera molécula. Os seus electróns están distribuídos en niveis, segundo a enerxía. Cando a luz golpea una molécula, se ten a enerxía adecuada (é dicir, ten a cor adecuada), un electrón pode saltar a un nivel de maior enerxía. Con todo, este electrón volverá ao nivel orixinal liberando enerxía adicional en forma de luz. Emitirá luz. Con todo, se esta molécula é un punto cuántico é sensible aos campos electromagnéticos que a rodean; mediante o uso de campos electromagnéticos, os niveis de enerxía dos electróns poden ser maiores ou menores, controlando a cantidade de enerxía que emite. Finalmente pódese manipula a cor da luz que emite.
A proposta do DIPC é que a electricidade que acompaña á actividade das neuronas sexa utilizada como campo electromagnético da zona. “As neuronas funcionan con sinais eléctricos”, explica García Etxarri. “Se pegamos un punto cuántico na membrana da neurona, independentemente de que a membrana teña ou non actividade, a cor que emite cambia ao saltar os electróns”. Os investigadores iluminarán a neurona con luz infravermella e a neurona devolverá a luz visible e, en función da cor da luz, saberán se esa neurona está activa ou non. Por iso, os puntos cuánticos son ferramentas nanoscópicas apropiadas paira ler a actividade dos grupos neuronais.
Ouro e calor
Ler a actividade dos grupos neuronais é un gran paso, pero isto non é suficiente paira a investigación. O segundo obxectivo do proxecto é impulsar esta actividade. Mediante a activación de determinadas neuronas, os neurólogos queren analizar como responde o cerebro. Paira iso tamén necesitan físicos. De feito, o segundo obxectivo dos físicos do DIPC é desenvolver una ferramenta que estimule a actividade en determinadas neuronas; una ferramenta que traballe de forma moi concreta, una ferramenta que activa as neuronas individualmente en caso de necesidade.
A idea é sinxela. Do mesmo xeito que una lupa concentra a luz do Sol, queren utilizar partículas que exercen ese mesmo efecto a escala nanoscópica. E o material adecuado paira iso é o ouro. “Chamámoslles nanolups de ouro. Cando soa a luz poden concentrar os raios nun punto máis pequeno que calquera lupa que poidamos fabricar. O lugar onde se concentran os raios quéntase e esa calor fai que as neuronas se activen”, explicou García Etxarri.
“Este camiño non foi aínda tratado”, afirma Yuste. “Hai dous traballos anteriores, uno dun equipo de Chicago e outro do noso laboratorio de Nova York. Nestes traballos empregáronse nanopartículas de ouro paira xerar actividade en neuronas. Nós fixémolo en ratos e hidras (animais con sistema nervioso moi simple). Estes experimentos demostran que esta formulación do proxecto pode ser razoable”. Pero hai que ir máis aló. Estes experimentos eran nanopartículas comerciais e non estruturas deseñadas de forma natural. Este é o obxectivo do proxecto NanoNeuro, que consiste en sintetizar as partículas naturais paira poder producir o efecto concreto que desexan con elas.
Por suposto, paira iso deben deseñar e construír nanopartículas. Logo, para que se asocien coas neuronas, deben cubrilas cunhas estruturas moleculares. E por último, do mesmo xeito que se fixo con calquera material que entra dentro do corpo humano, teñen que investigar a biocompatibilidad para que non produzan ningún efecto nocivo. Por tanto, a idea sinxela da nanolup terá una longa investigación paira poder desenvolver.
Todo á vez
Se a investigación arroxa resultados, con todo, obteranse dous nanopartículas, una paira ler a actividade das neuronas e outra paira estimular o lugar no que se desexa. Pero os científicos non queren traballar con dous nanoformas. “O noso obxectivo é deseñar una única nanopartícula con ambas as propiedades á vez. Se o conseguimos, teremos un dispositivo capaz de ler e incidir na actividade cerebral”.
Ese é o obxectivo final, polo menos na parte que se vai a realizar no DIPC. O proxecto está xa sobre a mesa e aberto una nova liña de investigación. “Nunca se nos ocorreu que as propiedades destas nanopartículas poden aplicar tamén ás neurociencias”, afirma García Etxarri. “É algo que sabemos facer moi ben, pero queremos utilizalo nunha aplicación totalmente diferente. É interesante aplicar algo que sabemos nun ámbito que non coñecemos”.
Posteriormente, o equipo de Rafael Yuste investigará esta aplicación na Universidade de Columbia. Paira Yuste, moitos dos avances científicos débense ao desenvolvemento de novos métodos. E precisamente espera que a ferramenta desenvolvida en San Sebastián supoña una pequena revolución na investigación cerebral. O tempo dirao.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
