“Si entendemos científicamente cómo funciona el cerebro, comprenderemos la mente humana”

La agencia de investigación médica más importante de EE UU ha concedido al español Rafael Yuste (Madrid, 1963) su premio más relevante: el NIH Director’s Pionner Award. El catedrático de Ciencias Biológicas y Neurociencias de la Universidad de Columbia (Nueva York) empleará los 2,5 millones de dólares del galardón para descifrar los circuitos neuronales de la corteza visual del ratón con técnicas innovadoras, una vía para conocer mejor las enfermedades mentales y el pensamiento humano. Yuste, ideólogo de la iniciativa BRAIN del gobierno de Obama, explica a SINC los detalles.

Rafael Yuste en su laboratorio de la Universidad de Columbia, en Nueva York. / SINC

¿En qué consiste su propuesta ganadora?

El NIH Director’s Pionner Award te da 500.000 dólares anuales durante cinco años para que persigas una hipótesis arriesgada, no convencional, que pueda llegar a ser revolucionaria en tu campo. Yo les propuse descifrar las conexiones de la corteza visual del ratón para comprobar si funciona como una red neuronal.

El objetivo es visualizar cada uno de los disparos de cada neurona en un ratón vivo, mapear las conexiones en esa región cortical y manipular la actividad neuronal para entender cómo funciona el circuito. Estos datos pueden ayudan a comprender mejor la fisiopatología de enfermedades que afectan a la corteza, como la epilepsia o trastornos mentales.

¿Qué técnicas van a utilizar?

La propuesta es usar novedosos métodos ópticos en los que se emplean microscopios con láseres muy potentes para ver disparar a grupos de neuronas. Esto se consigue visualizando la concentración de calcio dentro de estas células nerviosas, que se tiñen previamente con colorantes. Cada vez que una neurona dispara, cambia el calcio dentro de su cuerpo celular; y con luz, haciendo fotos microscópicas, puedes seguir la pista a este elemento y observar cómo se encienden y apagan las neuronas. En la base está la técnica conocida como calcium imaging, que llevamos años perfeccionando.

¿Qué ventajas presenta este método respecto al uso tradicional de electrodos?

En general, los electrodos solo registran la actividad de una o dos neuronas del animal o la persona. Es como si solo pudieras ver un píxel cuando visionas una película. No te enterarías. Por eso no comprendemos todavía el cerebro, porque todavía nadie ha visto la película entera. Con el calcium imaging, sin embargo, ya podemos ver cien o varios miles de neuronas y observar cómo disparan a la vez.

¿Esta es su principal línea de investigación?

Nosotros estamos interesados en conocer la corteza cerebral, que es la parte más grande del cerebro de los humanos, la más superficial situada debajo del cráneo. En concreto estudiamos la corteza visual, donde se analizan las imágenes visuales. Nuestro modelo animal es el ratón porque tenemos la hipótesis de que el cerebro del ratón y el humano funcionan de manera muy parecida. Es verdad que los humanos tenemos mucho más cerebro que los roedores, pero consideramos que un trocito del cerebro del ratón funciona de forma similar al nuestro. A largo plazo nos gustaría descubrir las bases funcionales de los pensamientos. Cuando un animal o una persona piensan, ¿qué es lo que hacen?

Una pregunta muy profunda…

Desde luego, pero no hay magia dentro del cráneo. Deben ser neuronas las que estén disparando de una manera concreta. ¿Cómo se relaciona el disparo de las neuronas a una actividad mental esencial, un pensamiento, una idea? Siempre me ha fascinado cómo se genera la mente humana. Me interesan mucho los temas de filosofía y psicología. ¿Qué somos las personas, cómo pensamos? Me encantaría que algún día supiéramos cuáles son las bases físicas y cómo funciona fisiológicamente la mente humana por dentro.

Y ese es uno de los objetivos del proyecto Brain Activity Map (BAM), del que usted es uno de los promotores. ¿Por qué ahora se llama Iniciativa BRAIN?

El proyecto BAM surge de una tormenta de ideas entre neurobiólogos y físicos en Inglaterra en septiembre de 2011. Allí planteé el problema o cuello de botella que supone ver el cerebro neurona en neurona, en lugar de todo en su conjunto. Un pequeño grupo propusimos desarrollar técnicas nuevas que nos permitan capturar y manipular la actividad de circuitos neuronales enteros. La propuesta se publicó en diversas revistas científicas y llegó hasta la Comisión de Ciencia y Tecnología de la Casa Blanca. El Gobierno de Obama decidió apoyar el proyecto y lo escogió como uno de los grandes desafíos científico-técnicos del país para la próxima década. Ahí cambia el nombre de BAM por el de BRAIN Iniciative, para darle su propio sello y distinguirlo un poco de nuestra propuesta inicial. Nosotros teníamos una idea concreta, y ahora el enfoque es más general, que engloba a más gente e incluye más tipos de técnicas.

¿Cuál es la situación actual del proyecto?

Las tres agencias federales implicadas (el NIH –National Institutes of Health–, la National Science Fundation –NSF– y el departamento de Defensa –DARPA–, que en conjunto aportan 100 millones de dólares en el año fiscal que comienza ahora en octubre) están decidiendo cuáles van a ser las prioridades de la Iniciativa BRAIN. Se espera que en enero o febrero de 2014 se hagan públicos estos objetivos y se abra la competición para que los grupos de investigación presenten sus proyectos. Supongo que se decidirán en tres o cuatro meses y los fondos se otorgarán a final de la primavera.

¿Y cuál es su papel actual en el proyecto?

Mi rol como impulsor del proyecto ha terminado y no estoy involucrado en administrarlo. Ahora estoy trabajando en coordinar un equipo de varios laboratorios de la universidad para podernos presentar a esas competiciones con una sola solicitud. En este sentido el NIH Director’s Pionner Award –que también han recibido este año otros once investigadores– supone todo un estímulo, porque la propuesta premiada es como hacer un ‘mini-BAM’ enfocado exclusivamente a la corteza visual del ratón.

En cualquier caso, ¿qué aspectos destacaría de la iniciativa general?

Desde un punto de visto científico, esperamos que con las nuevas técnicas puedan surgir datos que cristalicen en la teoría general que nos falta en neurobiología sobre cómo funciona el cerebro. Esto también nos ayudará a entender el problema de base de las enfermedades mentales y neurológicas. Por otra parte, está el gran impacto económico, como el que ha tenido el proyecto del genoma humano. Aunque para mí lo más relevante es que si entendemos científicamente cómo funciona el cerebro, comprenderemos la mente humana por primera vez. Nuestra especie se define por nuestras habilidades intelectuales. Somos nuestras mentes. Sería un gran momento histórico, como girar la esquina y vernos a nosotros por primera vez.

¿De verdad cree que algún día podremos conocer y manipular la actividad de cada una de las millones de neuronas del cerebro?

En el cerebro humano lo veo difícil, pero en el de animales es muy factible. Este mismo año se ha publicado un estudio que revela cómo se ha mapeado la actividad del 80% de las neuronas de la larva de un pez cebra. Se pueden desarrollar técnicas, sobre todo ópticas, que permitan recoger la actividad de grandes grupos de neuronas, en animales o en partes del cerebro humano. En nuestro caso, la corteza visual del cerebro del ratón tiene unas 180.000 neuronas, y veo factible que en cuestión de una década podamos medir la actividad de cada una de ellas. Aunque es verdad que de ahí a todo el cerebro humano hay un gran salto, y existen cuestiones técnicas que en este momento no sabemos cómo se van a resolver.

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC), la entrevista la ha realizado Enrique Sacristán.

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Dormir unas horas afianza el aprendizaje motor

Si una persona toma una lección de piano y se va a dormir, cuando se despierta sus dedos tocan mejor la secuencia de notas. ¿Cómo consigue el cerebro marcar esta diferencia a través del sueño? Esto es lo que ha investigado un equipo internacional de científicos que explica lo que ocurre en el cerebro en las horas de descanso cuando se afianza el aprendizaje motor.

Una resonancia magnética muestra la ubicación (en amarillo) del área motora suplementaria (SMA). / Yuka Sasaki | Universidad de Brown.

Los científicos han demostrado que el sueño mejora muchos tipos de aprendizaje, incluido el de las tareas motoras, pero no estaban seguros de por qué o cómo. Una investigación liderada por la  Universidad de Brown (EE UU) ha averiguado la función específica del sueño en la consolidación de dicho aprendizaje.

“Los mecanismos de consolidación de la memoria respecto al aprendizaje motor eran inciertos. Nosotros tratamos de averiguar qué parte del cerebro lo lleva a cabo durante el sueño, independientemente de lo que sucede durante la vigilia”, declara Masako Tamaki, investigador postdoctoral en la Universidad de Brown y autor principal del estudio que publica la revista Journal of Neuroscience.

La investigación utilizó tres tipos de imágenes del cerebro y consiguió por primera vez cuantificar con precisión los cambios entre ciertas ondas cerebrales y la ubicación exacta de dichos cambios en la actividad cerebral.

Nueve voluntarios durmieron durante las tres primeras noches del experimento mientras sus cerebros eran escaneados tanto con magnetoencefalografía (MEG), que mide las oscilaciones cerebrales con una sincronización exacta, como con polisomnografía (PSG), que realiza un seguimiento de la fase del sueño. De esta forma los investigadores consiguieron una buena medición de referencia de la actividad cerebral y los sujetos se acostumbraron a dormir en el laboratorio.

Golpes más rápidos y precisos

“Tratamos de averiguar qué parte del cerebro ayuda a la consolicación del aprendizaje motor durante el sueño”

Estos nueve participantes tuvieron que aprender posteriormente una tarea secuencial de golpeo de dedos. La prueba consistía en una sucesión de golpes clave cognitivamente parecidos a escribir o tocar el piano.

A continuación, se les permitió dormir por tres horas y fueron escaneados otra vez con PSG y MEG. Finalmente les despertaron y una hora más tarde se les pidió que realizaran la tarea de golpeo de dedos.

Como control, otros seis sujetos permanecieron sin dormir después de aprender la tarea y también se les pidió que realizaran dicha prueba cuatro horas después de ser entrenados. Los que durmieron hicieron la tarea más rápido y con más precisión.

Cambios en el área motora suplementaria

El último día del experimento, los investigadores escanearon a cada voluntario con una máquina de resonancia magnética, que mapea la anatomía del cerebro, de modo que más tarde pudieron ver donde estaban las oscilaciones MEG que habían observado en el cerebro de cada sujeto.

“El sueño no es sólo una pérdida de tiempo. Es una actividad intensiva para el cerebro que ayuda a consolidar el aprendizaje”

En total, rastrearon cinco frecuencias de oscilación diferentes en ocho regiones del cerebro –cuatro regiones distintas en cada uno de dos lados del cerebro–. Los científicos esperaban que la actividad más importante se desarrollase en la región “M1” del cerebro que es la que rige el control motor, sin embargo, los cambios más significativos se produjeron en el área motora suplementaria (SMA), una región situada en la primera mitad del cerebro –en la circunvolución frontal superior–.

“Estos cambios de ondas cerebrales específicas en el SMA se produjeron durante una fase particular del sueño conocido como ‘de onda lenta’”, apuntan los científicos. Los experimentos se realizaron en el Hospital General de Massachusetts y fueron posteriormente analizados en la Universidad de Brown.

“El sueño no es sólo una pérdida de tiempo. Es una actividad intensiva para el cerebro que ayuda a consolidar el aprendizaje, porque hay más energía disponible o porque las distracciones son menores”, concluye Yuka Sasaki, coautor del estudio y profesor asociado de investigación en la Universidad de Brown.

Después de realizar los experimentos el equipo de Sasaki y Tamaki ha creado un nuevo laboratorio de sueño y han comenzado ya un nuevo proyecto para estudiar más a fondo cómo el cerebro consolida el aprendizaje, en este caso visual.

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).

Sólidas pruebas de que las partes del encéfalo evolucionaron independientemente

Encéfalo © by Digital Shotgun

Artículo publicado por Morwenna Grills el 26 de septiembre de 2012 en la Universidad de Manchester

Un biólogo evolutivo de la Universidad de Manchester, trabajando junto a científicos de los Estados Unidos, ha encontrado sólidas pruebas de que las partes del encéfalo pueden evolucionar de manera independiente entre sí. Se espera que estos hallazgos avancen significativamente nuestra comprensión del cerebro.

El original estudio de 15 años de duración, llevado a cabo por investigadores de la Universidad de Tennessee y la Facultad de Medicina de Harvard, también ha identificado varios locus genéticos que controlan el tamaño de distintas partes del encéfalo.

El objetivo de la investigación es descubrir si distintas partes del encéfalo pueden responder de forma independiente a cada estímulo evolutivo (evolución en mosaico) o si el cerebro responde como un todo (evolución concertada). Al contrario que en estudios anteriores, los investigadores compararon las medidas del encéfalo dentro de solo una especie. Los hallazgos se han publicado en la revista Nature Communications.

Se analizaron los encéfalos de aproximadamente 10 000 ratones. Se midieron siete partes aisladas de cada encéfalo en volumen y peso. Se escaneó todo el genoma, salvo el cromosoma Y, en cada animal y se identificó el conjunto de genes para cada parte del encéfalo.

El Dr. Reinmar Hager de la Facultad de Ciencias de la Vida comparó la variación de tamaño en las partes del encéfalo con la variación en los genes. Encontró que la variación de tamaño en las distintas partes del encéfalo está controlado por el conjunto específico de genes para cada parte del mismo y que no hay un conjunto de genes compartido.

También comparó las medidas de cada ratón con el tamaño global de su encéfalo. Sorprendentemente, encontró muy poca correlación entre los tamaños de las partes del encéfalo y el tamaño global del mismo.

Según señala el Dr. Hager: “Si todas las distintas partes del encéfalo evolucionaron como un todo, se esperaría que el mismo conjunto de genes influyera en el tamaño de todas las partes. Sin embargo, encontramos muchas variaciones genéticas para cada parte distinta del encéfalo, lo que apoya un escenario de mosaico de la evolución encefálica. También encontramos una correlación muy baja entre el tamaño de las partes del encéfalo y el tamaño global del mismo. Esto vuelve a apoyar la hipótesis de la evolución en mosaico”.

Usando los datos recopilados a partir de los ratones, el Dr. Hager y sus colegas analizaron los genes que influían en el tamaño del encéfalo respecto a los genes que controlaban el tamaño del cuerpo. Querían calcular lo independiente que es la regulación del tamaño del encéfalo respecto a la del cuerpo.

Encontraron pruebas de que el tamaño del encéfalo está gobernado por un conjunto independiente de genes del que controla el tamaño del cuerpo. De nuevo encontraron una correlación muy baja entre las variaciones del tamaño del cuerpo y del encéfalo.

Las pruebas indican que el tamaño global del encéfalo puede evolucionar de manera independiente al tamaño del cuerpo.

Para continuar con esta investigación se llevarán a cabo más estudios para identificar los genes específicos que subyacen al tamaño de las distintas partes del encéfalo.

Según dice el Dr. Hager: “Si podemos identificar los genes específicos que provocan variaciones en el tamaño de las partes del encéfalo, esto tendría grandes implicaciones para los investigadores que estudian las enfermedades neuronales y el desarrollo encefálico. Esperamos que esta investigación mejore significativamente nuestra comprensión del encéfalo”.


Artículo de referencia: Genetic architecture supports mosaic brain evolution and independent brain-body size regulation” se publicará en Nature Communications. DOI 10.1038/ncomms2086

Artículo traducido y posteado en Ciencia Kanija, el original se publicó en la web de la Universidad de Manchester, su autora es Morwenna Grills.