Francis en ¡Eureka!: El hipocampo de humanos, ratas y murciélagos

Dibujo20130421 cognitive map and memory stored in hippocampus - inside de brain

El audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, ya está disponible. Si te apetece escucharlo, sigue este enlace (se corta en el minuto 7:31, puedes escucharlo completo a partir del minuto 02:08:00 en el programa completo). Como siempre una transcripción libre del audio.

El cerebro es fascinante y fuente de múltiples noticias científicas. Esta semana  ha sido noticia una parte del cerebro llamada hipocampo que actúa como un sistema GPS que nos permite movernos por nuestro entorno. ¿Qué es esta parte del cerebro llamada hipocampo? El hipocampo es una parte del cerebro con forma de letra “S” que recuerda a un caballito de mar, de ahí su nombre. En el cerebro humano hay dos hipocampos, uno en el hemisferio izquierdo y otro en el derecho. Cada uno está formada por unos 20 millones de neuronas, aunque el número depende de la edad y de otros factores, como la profesión. Los oyentes recordarán el caso de los taxistas de Londres, que tienen que aprenderse un gran número de lugares y las rutas más rápidas entre estos lugares; en el año 2000 se publicó un estudio que demostraba que el hipocampo de los taxistas de Londres está más desarrollado y tiene mayor volumen que el de una persona normal. En los años 1970, se lanzó la hipótesis de que hipocampo almacena un “mapa cognitivo,” es decir, una representación neuronal de nuestra posición y orientación en el espacio (por ejemplo, del salón de nuestra casa o del camino hasta nuestro lugar de trabajo). Múltiples estudian han demostrado que hay neuronas en el hipocampo que actúan como “células de posición” que disparan potenciales de acción cuando nos encontramos en cierto lugar; diferentes neuronas representan diferentes lugares y las neuronas próximas entre sí representan lugares próximos entre sí. Según la hipótesis del “mapa cognitivo,” el hipocampo actúa como el sistema GPS que guía nuestro coche.

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La estructura del canto de los pájaros

Dibujo20130227 Elemental gesture dynamics are encoded by song premotor cortical neurons

¿Cuál es la unidad básica del habla? ¿La palabra, la sílaba o el fonema? Para responder a esta cuestión los lingüistas llevan décadas estudiando el canto de los pájaros. Hay estudios que afirman que se trata de la sílaba (unidad con una duración entre 0,1 y 0,25 segundos), mientras que otros apuntan a unidades menores de 0,1 segundos, llamadas “detalles” (gestures en inglés). Nature ha publicado un estudio neurológico en el pinzón cebra (Taeniopygia guttata) que apoya la teoría de los “detalles” (como unidades que conforman las sílabas). Ana Amador (Univ. Chicago) y sus colegas han estudiado las neuronas de una zona del encéfalo llamada HVC (High Vocal Center), esencial para el canto de las aves. La actividad de estas neuronas ha sido registrada mientras los pájaros cantan y cuando se reproduce una grabación de sus cantos mientras están dormidos. Al comparar estas señales se ha descubierto que la actividad de estas neuronas ocurre en las transiciones entre “detalles,” lo que sugiere que estos son las unidades básicas del canto. Obviamente, no se trata de la respuesta definitiva a la cuestión sobre la unidad básica del habla, pero apunta a que la respuesta está en los fonemas. Nos lo cuenta Todd W. Troyer, “Neuroscience: The units of a song,” Nature AOP 27 Feb 2013, que se hace eco del artículo técnico de Ana Amador, Yonatan Sanz Perl, Gabriel B. Mindlin, Daniel Margoliash, “Elemental gesture dynamics are encoded by song premotor cortical neurons,” Nature AOP 27 Feb 2013.

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La cafeína en el néctar de las flores mejora la memoria olfativa de las abejas

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Los insectos polinizadores son atraídos por el sabor del néctar, que además de azúcares también contiene sustancias como la cafeína. Un nuevo artículo en Science afirma que la cafeína potencia la respuesta de las neuronas asociadas al aprendizaje olfativo y a la memoria de las abejas, actuando como un receptor antagonista de la adenosina. Aunque la cafeína tiene cierto sabor amargo, no repele a las abejas, todo lo contrario les hace recordar con más fuerza el “buen” sabor del néctar de las flores que contienen esta sustancia (como los cafetos y algunos cítricos). Para los humanos la cafeína es tóxica a altas dosis, pero a bajas dosis es “gratificante” y mejora el rendimiento cognitivo y la memoria. Me ha sorprendido bastante descubrir que estos efectos también se observan en las abejas. Quizás otros alcaloides y otras sustancias con actividad neurofarmacológica, además de repelentes para ciertos insectos, también jueguen un papel importante en la respuesta de sus polinizadores. El artículo técnico es G. A. Wright et al., “Caffeine in Floral Nectar Enhances a Pollinator’s Memory of Reward,” Science 339: 1202-1204, 8 Mar 2013. Nos cuentan muchos detalles curiosos sobre las abejas Lars Chittka, Fei Peng, “Caffeine Boosts Bees’ Memories,” Science 339: 1157-1159, 8 Mar 2013.

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Francis en ¡Eureka!: Dos mil millones de euros al estudio del cerebro y del grafeno

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Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue estos enlaces si te apetece escuchar el audio del programa completo (mi sección empieza a las 02:05:00), o sólo el audio de mi sección. Como siempre una transcripción libre del contenido.

La Unión Europea ha decidido invertir dos mil millones de euros en dos proyecto durante diez años, uso sobre el cerebro y el otro sobre el grafeno, ¿en qué consiste esta convocatoria  de proyectos de investigación tan especial? La Unión Europea financia proyectos de investigación gracias a los llamados Programas Marco. El actual es el séptimo programa marco (7PM) desde 2007 hasta 2013. El próximo será el octavo programa marco (8PM) desde 2014 hasta 2020. La mayoría de los proyectos que se financian en los programas marco tienen una duración de tres o cuatro años, e involucran a muchos grupos de investigación de diferentes países. Pero cuando finalizan estos proyectos, los grupos que colaboran entre sí se disgregan. Para afianzar colaboraciones a largo plazo, la Unión Europea decidió crear una iniciativa de proyectos financiados durante diez años. La iniciativa se llama Proyectos Bandera en Tecnologías Futuras y Emergentes. Se presentaron 21 proyectos en el año 2010, de los que se eligieron 6 finalistas que en 2011 recibieron un millón y medio de euros durante un año para elaborar la propuesta definitiva para octubre de 2012. El pasado 28 enero se anunciaron los dos proyectos “bandera” ganadores cada uno de mil millones de euros: Graphene, que pretende estudiar las aplicaciones del grafeno, y Human Brain Project (el Proyecto Encéfalo Humano), que pretende simular el encéfalo mediante ordenador.

Estos proyectos deben ser muy grandes y deben involucrar a muchos grupos de investigación, porque cien millones de euros al año durante diez años es mucho dinero. Los dos proyectos son enormes. El proyecto “Graphene” está liderado por Jari Kinaret (Universidad Técnica de Chalmers, Suecia) quien coordina a 126 grupos académicos e industriales de 17 países europeos. El proyecto “Human Brain Project” está liderado por Henry Markram (Escuela Politécnica de Lausana, Suiza) quien coordina a 87 grupos de investigación en 23 países (16 de ellos europeos). Realmente se trata de proyectos a gran escala. La colaboración de España en ambos proyectos está liderada por investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC): Francisco Guinea para el proyecto Grafeno y Javier de Felipe para el del Encéfalo (proyecto en el que participan 25 grupos de investigación españoles).

El más interesante de los dos parece el proyecto sobre el cerebro. ¿Cuáles son sus objetivos? Entender el cerebro y el encéfalo en su conjunto es uno de los grandes retos para la ciencia en el siglo XXI. El proyecto se divide en seis frentes de investigación: neuroinformática, simulación del encéfalo, computación de alto rendimiento, informática médica, neuromórfica y neurorobótica. Los resultados que se obtengan están dirigidos a neurólogos, médicos, investigadores y tecnólogos especialistas en neurociencias. El Proyecto Encéfalo Humano mejorará todo nuestro conocimiento sobre el encéfalo gracias a la integración de datos experimentales y simulaciones mediante superordenadores.

El proyecto propone estudiar el encéfalo en su conjunto, siendo el cerebro su parte más voluminosa, ¿por qué estudiar el encéfalo completo y no sólo el cerebro? El cerebro parece grande, por su volumen, pero en número de neuronas es una parte pequeña de todo el encéfalo. El encéfalo forma parte del sistema nervioso central junto a la médula espinal; el sistema nervioso periférico está compuesto por los nervios que conectan todo el organismo con la parte central. El encéfalo es todo lo que tenemos dentro del cráneo, el cerebro, el cerebelo, el tálamo y el tronco del encéfalo. En el encéfalo hay unas 86.000 millones de neuronas, la mayoría están en el cerebelo (unas 70.000 millones); en el cerebro sólo hay unas 15.000 millones. Los estudios más recientes nos indican que el cerebro es lo que más abulta, pero no la parte que más neuronas tiene. Junto a las neuronas, en el encéfalo también hay células de la glía, unas 85.000 millones de células gliales. Estas células protegen a las neuronas de sustancias químicas externas y producen la mielina que actúa como aislante eléctrica para facilitar la transmisión de las señales eléctricas entre neuronas.

El cerebro es la máquina más complicada que ha estudiado el hombre. ¿Por qué es tan complicado? Porque hay 86.000 millones de neuronas que se comunican entre sí por medio de unos 500 billones de sinapsis. El encéfalo es la estructura más complicada que la ciencia estudia. Cada neurona tiene un cuerpo (soma), un único axón (que usa para enviar información) y un gran número de dendritas o prolongaciones del cuerpo (que usa para recibir información). Las neuronas se comunican entre sí enviando impulsos eléctricos a través del axón y enviando y recibiendo neurotransmisores en las sinapsis que ocurren en las dendritas. Se calcula que cada neurona recibe información a través de unas 10.000 sinapsis y envía información a través de unas 1.000. En el cerebelo hay neuronas con hasta 200.000 conexiones de entrada. Las neuronas se comunican mediante señales eléctricas (potenciales de acción) y químicas (potenciales de sinapsis).

La consciencia y el “yo” emergen de la actividad eléctrica del encéfalo. ¿En qué consiste esta actividad eléctrica? Mi amigo Xurxo Mariño, neurocientífico gallego y gran divulgador, afirma que cada neurona es como una batería. En tu cabeza hay unas 86 000 millones de pequeñas baterías cargadas con unos 70 milivoltios. Esta electricidad proviene del movimiento de iones de sodio y potasio con carga positiva. La membrana de las neuronas tienen bombas de Na/K que se abren y cierran a toda velocidad dejando pasar iones de un lado a otro de la membrana, produciendo una diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana (hay más iones de sodio en la cara exterior de la membrana que en la interior y a la inversa, más iones de potasio en la interior que en la exterior. Cuando la neurona se descarga a través del axón, esta diferencia de potencial se mueve como un impulso eléctrico (el llamado potencial de acción). Al final del axón hay una o varias sinapsis y en cada una de ellas la señal eléctrica se convierte en una señal química, un neurotransmisor. Cada neurona se comunica con las demás con algo parecido al código Morse, con pitidos y silencios: bip bip  … bip bip bip … bip … bip bip… Este movimiento de impulsos eléctricos en el encéfalo consume mucha energía, del orden del 20% de toda la energía de los alimentos.

La señal eléctrica se convierte en señal química, los neurotransmisores como la adrenalina que se intercambian entre las neuronas. ¿Cómo ocurre esta conversión? El potencial de acción (el impulso eléctrico) al llegar al final de los axones provoca la apertura de los canales de calcio, que hacen que el calcio entre en la neurona y se libera el neurotransmisor al espacio sináptico. Este proceso se llama sinapsis química y es el medio en el que se comunican entre sí casi todas las neuronas. La neuronas tienen receptores específicos para cada uno de los neurotransmisores que reciben de otras neuronas, como la adrenalina, el glutamato, la dopamina, la serotonina, entre otros muchos. Estos neurotransmisores regulan la agresividad, la sexualidad, el humor, el sueño, y muchos otras funciones cognitivas. Los neurotransmisores son de dos tipos, los excitadores, que al acumularse en suficiente cantidad hacen que la neurona receptora genere nuevos potenciales de acción, y los inhibidores que realizan lo contrario.

Funciones cognitivas superiores como la consciencia y el yo son resultado de la actividad de las neuronas. El Proyecto Encéfalo Humano pretende descubrir cómo ocurre este proceso. ¿Algún día habrá un ordenador consciente de su propio yo? Los neurocientíficos piensan que la mente es producto del encéfalo y que algún día se podrá construir un encéfalo artificial con una inteligencia similar a la mente humana, dotado de sensibilidad, capacidad de emoción y de un “yo” consciente. El problema es que a día de hoy, simular 86.000 millones de neuronas y unas 500 billones de sinapsis está más allá de lo alcanzable con los superordenadores más poderosos del mundo. Muchos expertos creen que en el siglo XXI se logrará hacerlo y los resultados del Proyecto Encéfalo Humano de la Unión Europea podrían ser claves para alcanzar este logro.

¿Qué lugar ocupa el alma en la neurociencia actual? El concepto religioso de alma inmortal es una manera de aludir del “yo” consciente que se remonta a una época en la que no existía la neurociencia. Todos los neurocientíficos actuales consideran que el “yo” es producto de la actividad metabólica y eléctrica del encéfalo y del resto del sistema nervioso. La mente y el encéfalo son la misma cosa. Cuando estamos inconscientes el “yo” no se va a ninguna parte, sencillamente deja de ser generado por la actividad neuronal. Se desvanece. Todas las noches, durante el sueño profundo el “yo” desaparece de manera temporal y vuelve a emerger con rapidez y facilidad al despertar. Pero tu nuevo “yo” no es el mismo que se durmió, hay diferencias y modificaciones sutiles en tu arquitectura neuronal, tan suvaes que tú no las notas y crees que sigues siendo el mismo. Pero tu “yo” se modifica cada día, cada vez que te duermes. Según la neurociencia actual no existe un “yo” eterno.

Lo dicho, sigue estos enlaces si te apetece escuchar el audio del programa completo (mi sección empieza a las 02:05:00), o sólo el audio de mi sección.

Un mundo virtual tipo Matrix para estudiar la actividad del encéfalo de alevines de pez cebra

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El neurocientífico Florian Engert (Univ. Harvard) dice que sus alevines de pez cebra están encerrados como Neo (Keanu Reeves) al principio de la película de los hermanos Wachowski “Matrix (1999). En la película los seres humanos están esclavizados por las máquinas que los utilizan como baterías vivientes para obtener energía, mientras en su mente viven en un mundo virtual que no existe. En los experimentos de Engert los alevines, cuyo cuerpo es transparente, son inmovilazados en una placa de Petri para poder observar sus neuronas mediante un microscopio y una serie de electrodos, mientras los investigadores proyectan diferentes mundos virtuales que simulan paisajes submarinos cambiantes. Su objetivo es descubrir cómo las neuronas del encéfalo del pez codifican la visión, la audición, el movimiento e incluso el miedo. Su experimento permite rastrear el comportamiento colectivo de unas 300.000 neuronas (en realidad, de solo unas 1000 neuronas en unas 300 subregiones para un solo pez, pero combinando por ordenador el resultado para muchos peces se pretende obtener la actividad de un encéfalo de referencia). Se utilizan peces transgénicos que desarrollan marcadores del calcio que permiten seguir su flujo en las neuronas en tiempo real mientras se va alterando el mundo virtual con el que los estimulan los investigadores. Nos lo cuenta Virginia Hughes, “Mapping brain networks: Fish-bowl neuroscience. Tiny fish trapped in a virtual world provide a window into complex brain connections,” Nature 493: 466-468, 24 January 2013. El artículo incluye el siguiente vídeo youtube muy al estilo de la película Matrix. Un artículo técnico con los resultados obtenidos hasta el momento es Misha B. Ahrens et al., “Brain-wide neuronal dynamics during motor adaptation in zebrafish,” Nature 485: 471-477, 24 May 2012.

El mundo virtual que los investigadores proyectan en la placa de Petri donde se encuentran los alevines de pez cebra se puede controlar mediante ordenador. Por ejemplo, se puede cambiar de forma más rápida o más lenta, ajustándolo a la reacción del pez, o a las medidas obtenidas de su actividad neuronal. A largo plazo, Engert espera poder descubrir la relación entre el comportamiento y la conectividad de las neuronas del encéfalo de los alevines, en cierto sentido, cómo la estructura determina la función (la máxima utilizada en el caso de las proteínas). Sin embargo, la labor no promete ser fácil; de hecho, el efecto de la realimentación visual en los músculos del pez es muy dependiente del ejemplar, en algunos es más fuerte y en otros más débil. Todavía no se sabe el porqué.

Por supuesto, no se puede estudiar todo sobre el encéfalo utilizando los alevines de Engert y muchos otros investigadores prefieren el uso de animales con un menor número de  neuronas, como los nemátodos C. elegans (que tienen unas 300 neuronas), cuyo comportamiento es mucho más sencillo. Además, los alevines de pez cebra no muestran comportamientos sociales sofisticados, ni tampoco emociones complejas. Por ahora no está claro cuáles son los límites de la técnica de Engert y hasta dónde podrá llegar. Aún así, el estudio del conectoma del pez cebra promete ser muy revelador. Desde los trabajos pioneros de Santiago Ramón y Cajal los neurocientíficos han estado buscando el principio fundamental que describe cómo interaccionan entre sí los circuitos de neuronas. Quizás el mundo tipo Matrix de los alevines de pez cebra de Engert pueda ayudar a descubrirlo.

Cómo deciden los ganglios basales del encéfalo entre dos acciones complementarias

Dibujo20130123 Decision-making at the neuronal level

Imagina que conduces un coche con cambio de marchas automático. Para arrancar en un semáforo, pisas el acelerador al mismo tiempo que levantas el pie del freno. Para frenar en otro semáforo, pisas el freno al mismo tiempo que levantas el pie del acelerador. En la toma de decisiones en la que tu encéfalo tiene que elegir entre dos acciones complementarias (sean A y B), los ganglios basales se comportan de forma muy parecida. Hay una vía directa que promueve una acción (A) y una vía indirecta que suprime la acción complementaria (B) que se activan de forma simultánea, y viceversa. Así lo muestra una estudio publicado en Nature, cuyos autores opinan que podría ayudar a entender el temblor incontrolable asociado a la enfermedad de Parkinson.  El estudio ha utilizado técnicas optogenéticas para activar de forma selectiva las vías directa e indirecta asociadas a un movimiento concreto en ratones genéticamente modificados. Los autores creen que a la hora de tomar una decisión es más eficaz fortalecer las conexiones sinápticas tanto de las neuronas asociadas a la activación del movimiento como de las asociadas a la desactivación del movimiento complementario (o alternativo). Si se confirmase en primates modelo de la enfermedad de Parkinson que el fenómeno observado también es responsable de las dificultades motoras asociadas a esta enfermedad, como opinan los autores, se abriría una nueva vía terapéutica. Obviamente, todavía es muy pronto para lanzar las campanas al vuelo. Nos lo cuenta D. James Surmeier, “Neuroscience: To go or not to go,” Nature, AOP 23 January 2013, que se hace del artículo técnico de Guohong Cui et al., “Concurrent activation of striatal direct and indirect pathways during action initiation,” Nature, AOP 23 January 2013.

En la figura que abre esta entrada, las neuronas de la corteza cerebral (en rojo) se comunican con las neuronas del cuerpo estriado (en azul) para realizar una toma de decisión entre dos acciones posibles, sean A y B. Las neuronas de la sustancia negra (en verde) toman la decisión (recomendar la acción A) y la transmiten por medio de las neuronas del tálamo (en amarillo). El nuevo trabajo indica que dichas neuronas aconsejan la acción A y al mismo tiempo desaconsejan la acción B, por lo que se activan ambas vías de forma simultánea (la vía directa para A y la indirecta para B).

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Nota dominical: Richard Feynman, los ordenadores y los métodos numéricos

Dibujo20121216 Richard Feynman - 1985 - from Shelley Gazin

El interés de Richard P. Feynman en los ordenadores y en los métodos numéricos nació durante la Segunda Guerra Mundial, cuando estaba en Los Alamos en el Proyecto Manhattan. Hans A. Bethe le encargó coordinar un grupo que realizaría los cálculos para modelar la implosión de una bomba de plutonio. Feynman desarrolló un sistema de “computación paralela” que usaba personas, cada una con una calculadora mecánica, como elementos de proceso. Su interés en los ordenadores se renovó en sus últimos diez años de vida, cuando su hijo Carl se matriculó en informática en el MIT (Instituto Técnico deMassachusetts), llegando a impartir un curso de aplicación de los ordenadores a la física en su propia universidad, el CalTech (Instituto Técnico de California), junto a John J. Hopfield y Carver A. Mead. El doctor Feynman publicó tres artículos sobre ordenadores [1,2].

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La brújula magnética de las palomas mensajeras parece estar en su oído interno

Las palomas mensajeras son capaces de regresar a su hogar desde un lugar desconocido a cientos de kilómetros de distancia. No se sabe cómo lo hacen pero se cree que la clave es el uso de una brújula magnética. Se publica en Science un artículo de Wu y Dickman que ha medido la actividad eléctrica de 300 neuronas que reciben estímulos sensoriales del oído interno y sugiere que la brújula magnética (el órgano que actúa de sensor magnético) se encuentra la lagena coclear del oído de la paloma. Esta hipótesis contrasta con estudios previos que apuntan a que se encuentra o en el ojo o en la parte superior del pico. El nuevo estudio ha observado que la activación de las neuronas codifica la dirección tridimensional y la intensidad del campo magnético terrestre (o de un campo aplicado ex profeso), algo que no ha sido posible para los otras hipótesis, pero que no las descarta. Por ello, en mi opinión, todavía es pronto para conocer la respuesta definitiva, pero todo apunta a que las palomas podrían tener varios órganos que actúan como brújulas magnéticas y que integran dicha información con la de otros sentidos para guiar su trayectoria de retorno al hogar. Nos lo cuenta Michael Winklhofer, “An Avian Magnetometer,” Science 336: 991-992, 25 May 2012, haciéndose eco del artículo técnico de Le-Qing Wu, J. David Dickman, “Neural Correlates of a Magnetic Sense,” Science 336: 1054-1057, 25 May 2012.

Wu y Dickman afirman en su artículo que las células magnetoreceptoras deben encontrarse en la lagena coclear (porque han estudiado neuronas que reciben información sensorial de dicha región del oído), pero no han sido capaces de identificar las células concretas donde se encuentran los dominios de  magnetita (Fe3O4) que deben estar implicados en el proceso de detección, ni tampoco explicar en detalle el mecanismo de excitación de las neuronas. La figura que abre esta entrada, extraída del artículo, ofrece una posible propuesta (clickea en la figura para ampliarla), pero hay gran número de interrogantes.

VIII Carnaval Tecnología: Nanoelectrodos para registrar la actividad nerviosa de las neuronas

La portada de la revista Nature Nanotechnology de este mes presenta un gran avance en el desarrollo de electrodos para registrar y/o estimular la actividad eléctrica de neuronas individuales cultivadas in vivo. La matriz de electrodos basada en nanohilos verticales (VNEA por Vertical Nanowire Electrode Array) se fabrica utilizando tecnología de silicio convencional sobre un sustrato plano, lo que facilita su uso en cultivos celulares. VNEA está compuesta por 16 celdas que permiten estudiar 16 neuronas de forma simultánea, cada celda está compuesta de una matriz de 3 × 3 nanohilos, cada uno de los cuales se puede acceder de forma individual. Cada nanohilo tiene un diámetro de 150 nm, una altura de 3 μm, está espaciado de los otros por 2 μm y es capaz de penetrar la membrana de la célula nerviosa para registrar y/o estimular el potencial de acción de la neurona. Hongkun Park (Universidad de Harvard) y sus colegas han estudiado neuronas de rata demostrando que los VNEA alcanza una relación señal/ruido de ~100, que se puede mejorar por un factor de 10 promediando medidas repetidas. El artículo técnico es Jacob T. Robinson, Marsela Jorgolli, Alex K. Shalek, Myung-Han Yoon, Rona S. Gertner & Hongkun Park, “Vertical nanowire electrode arrays as a scalable platform for intracellular interfacing to neuronal circuits,” Nature Nanotechnology 7: 180–184 (2012) [copia gratis del pdf].

En este número de Nature Nanotechnology aparecen otros dos artículos técnicos que presentan otros diseños de nanoelectrodos. Los discute en detalle Vladimir Parpura, “Bionanoelectronics: Getting close to the action,” Nature Nanotechnology 7: 143–145 (2012) [copia gratis del pdf].

El segundo artículo trata sobre los nanoelectrodos desarrollados por el grupo liderado por Bianxiao Cui y Yi Cui (Universidad de Stanford). Utilizan matrices de nanopilares de platino de 150 nm de diámetro, y entre 1 y 2  μm de altura, pero a diferencia del trabajo de Park y sus colegas, todos los nanopilares están conectados al mismo electrodo y no pueden ser accedidos de forma individual. Los Cui y sus colegas han estudiado con sus nanoelectrodos el potencial de acción interior y exterior en células de músculo cardíaco (cardiomiocitos) de ratón. La técnica de Cui y sus colegas tiene múltiples inconvenientes comparada con la de Park y los suyos, por ejemplo, su relación señal-ruido es muy baja (~7). Sin embargo, el artículo de Cui y sus colegas presenta varias técnicas muy interesantes de multiplexado de señales que seguramente los otros grupos acabarán incorporando a sus propios diseños. El artículo técnico es Chong Xie, Ziliang Lin, Lindsey Hanson, Yi Cui & Bianxiao Cui, “Intracellular recording of action potentials by nanopillar electroporation,” Nature Nanotechnology 7: 185–190 (2012) [copia gratis del pdf].

Lo más interesante del artículo de Cui y sus colegas es el estudio del efecto de la “electroporación,” la aparición de poros en la membrana de la célula cuando el electrodo es estimulado eléctricamente; estos poros nanométricos ponen en contacto el electrodo con el interior celular permitiendo una lectura mucho más limpia del potencial de acción mediante los nanoelectrodos.

El tercer y último artículo sobre el mismo tema está firmado por el grupo liderado por Charles Lieber (Universidad de Harvard) y presenta la medición del potencial eléctrico mediante transistores de efecto campo (FET) basados en nanohilos (llamados BIT-FET por Branched Intracellular nanoTube Field-Effect Transistor). Estos electrodos permiten medidas intracelulares del potencial de acción en neuronas y cardiomiocitos con una precisión espacial muy alta. Los grupos de Park y Cui han desarrollado versiones en la nanoescala de los microelectrodos convencionales, por lo que su impedancia es muy alta (crece conforme decrece la escala del electrodo). Sin embargo, Lieber y sus colegas han logrado superar el problema de la impedancia utilizando electrodos huecos en forma de nanotubo de entre 1 y 1,5 μm de altura, un diámetro exterior en su base de ~150 nm y de unos ~55 nm en su punta, y un diámetro interior constante de unos 50 nm; el volumen interno de estos nanotubos es de unos ~3 attolitros. Cuando estos nanoelectrodos penetran en la célula, el líquido intracelular (citosol), que es un conductor, penetra dentro del nanotubo excitando el transistor FET; los potenciales de acción se leen gracias a la corriente eléctrica que atraviesa el transistor FET que actúa en modo amplificador. Xiaojie Duan, Ruixuan Gao, Ping Xie, Tzahi Cohen-Karni, Quan Qing, Hwan Sung Choe, Bozhi Tian, Xiaocheng Jiang & Charles M. Lieber, “Intracellular recordings of action potentials by an extracellular nanoscale field-effect transistor,” Nature Nanotechnology 7: 174–179 (2012).

La relación señal-ruido de los nanoelectrodos BIT-FET está entre 40 y 80, pero Lieber y sus colegas creen que podrán mejorarla con cambios pequeños de diseño. En resumen, estos tres artículos muestran los grandes avances que se están realizando en el desarrollo de nanoelectrodos para aplicaciones en electrofisiología. La gran ventaja de alta capacidad de integración de estos electrodos es que permiten medidas sobre las dendritas y sus ramificaciones. El gran problema de estas técnicas invasivas es que aún falta desarrollar técnicas que permitan posicionar estos nanoelectrodos en los lugares de interés.

Esta entrada participa en la VIII Edición del Carnaval de la Tecnología organizado en esta ocasión por J.M. Mulet en su blog “Los productos naturales ¡vaya timo!,”  quien nos propone como tema estrella la biotecnología. “Las normas de participación las podéis encontrar en el blog del propio carnaval. Podéis comunicarle las entradas como comentario en su post o a su cuenta de twitter (@jmmulet).”

Oyen las palabras que escucha una persona leyendo la actividad nerviosa de su corteza auditiva con electrodos subdurales

Fichero .wav con sonidos reconstruidos mientras le dictan palabras a una persona.

Los pacientes que tienen implantados electrodos subdurales en su corteza cerebral son los conejillos de indias ideales para realizar estudios electrocorticográficos (ECoG). Un estudio publicado en PLoS Biology ha logrado reconstruir los sonidos que una persona está oyendo a partir de la lectura de la actividad de sus neuronas auditivas. Tienes que oir el fichero .wav de ejemplo. Sencillamente espectacular, increíble. Los 15 participantes oían palabras dictadas mientras se grababa su actividad neural con un matriz de 64 electrodos implantada en las circunvalaciones temporales media y superior. El fichero de sonido (.wav) se obtuvo a partir de un espectrograma reconstruido mediante un algoritmo que utiliza como entrada las 64 señales medidas por los electrodos. El algoritmo de reconstrucción del espectograma es un sencillo método de regresión lineal basada en mínimos cuadrados (que tras una fase de entrenamiento ajusta ciertos parámetros cuyos valores son utilizados para la reconstrucción). El artículo parece fácilmente repetible en cualquier laboratorio de neurociencia que tenga acceso a pacientes con electrodos implantados y nos hace preguntar: ¿algún día se podrá leer el pensamiento hablado de una persona? El artículo técnico (de acceso gratuito) es Pasley BN, David SV, Mesgarani N, Flinker A, Shamma SA, et al., “Reconstructing Speech from Human Auditory Cortex,” PLoS Biology 10: e1001251, 2012.  Me he enterado de este artículo gracias a un tuit de Xurxo Mariño (@xurxomar) que nos decía “Han conseguido reconstruir ls palabras que escucha una persona a partir de la actividad nerviosa registrada en su cerebro.”

Sin entrar en los detalles técnicos, lo que nos ilustra este trabajo es que cosas que pensábamos que eran de ciencia ficción hoy en día son una realidad en los laboratorios. Todos hemos visto en televisión personas que controlan con su pensamiento el movimiento de una prótesis; estas personas piensan el movimiento y los electrodos en su córtex permiten controlar los servomotores de la prótesis. Quizás algún día, dentro de unas décadas, haya métodos no invasivos para leer la actividad de nuestro cerebro que permitan reconstruir las palabras en las que está pensando una persona, que permitan oir en qué está pensando una persona en tiempo real. Da escalofríos solo de pensarlo. Imaginad las aplicaciones que podría tener esta tecnología.

Ya que estamos, os recomiendo volver a ver el documental “El Mal del Cerebro.” La parte 1 “Cerebros reparados” (17:25) nos muestra la investigación que se está realizando en España sobre estos temas. “Introducir electrodos, reemplazar miembros amputados por dispositivos biónicos o mover objetos con el pensamiento. Estos son los caminos por los que la ciencia lucha para reparar la mente.”