Dicen que es fácil saber en lo que trabaja un científico porque te lo cuenta prácticamente al primer minuto de conocerle. Pero otra cosa es que sea capaz de explicártelo correctamente. Si hay algo difícil de divulgar es tu propio trabajo. En los artículos de este blog yo comento temas que me interesan y sobre los cuales he indagado gracias a la lectura de trabajos académicos, pero no son exactamente mi línea de investigación. No divulgo habitualmente sobre mi línea de investigación porque considero muy difícil tomar perspectiva y hablar de manera sencilla de algo a lo cual le he dedicado los últimos años de mi vida. Por ejemplo hay detalles que me parecen importantes y a los que he dedicado meses de trabajo continuo, pero que pueden ser irrelevantes para el público general.

No obstante en este artículo lo voy a intentar… al menos en líneas generales.

Porque este vídeo lo merece:

neuronasvid
Actividad neuronal in vivo

Lo que estáis viendo es la actividad eléctrica de cientos de neuronas de un ratón despierto, grabada mientras corre por un laberinto (hasta se aprecia la vibración del movimiento del animal). El hecho de que podamos verla en forma de luz y que podemos analizarlo forma parte del truco de magia que debo realizar cada día en mi trabajo.

Para entender el truco debemos explicar un poco cómo las neuronas son capaces de mandar una señal eléctrica (¡sin ser un cable!). El interior y el exterior de una neurona tiene composiciones químicas muy diferentes, existen átomos cuya concentración es mayor dentro o fuera de la neurona. Las neuronas consumen constantemente energía para mantener este balance. Imagina una presa llena de agua. Las neuronas se encargarían de coger la poca cantiad de agua que sale de la presa y volverla a echar dentro. Realmente no podemos hablar de un equilibrio porque hay más agua en el interior de la presa que en el exterior, pero sí que hay un balance. Casi toda la energía química que consumen las neuronas esta dedicada a mantener este equilibrio. Si la presa se rompe la concentración química dentro y fuera de la neurona seria idéntica y eso significaría su muerte instantánea. Estamos vivos gracias a que nuestras células se diferencian del exterior.

Cuando una neurona se activa para mandar una señal (por diferentes causas, normalmente debido a la actividad de una neurona anterior) abre la presa por unos microsegundos y varios átomos cargados eléctricamente ven su oportunidad de atravesar la membrana. Los átomos concentrados en el exterior entran en la célula y viceversa.

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Distribución y movimiento de algunos de estos átomos cargados

La neurona no se abre de golpe, sólo se abre una pequeña región de la membrana. Al producirse el intercambio, éste provoca que la región de al lado también se active, provocando un efecto dominó y llevando así la actividad eléctrica de un punto a otro de la neurona. Una vez la presa es cerrada, los mecanismos de compensación vuelven a mandar a su sitio a los átomos que lograron atravesar la membrana, preparándose para recibir una nueva señal. Sin embargo, el mecanismo de recuperación es mucho más lento y las neuronas no pueden mandar señales muy seguidas, deben recuperarse cada vez. Esto tiene curiosas consecuencias. Por ejemplo, la red de neuronas que forma la corteza visual necesita recuperarse cada vez que se activan con la imagen que vemos, provocando que no seamos capaces de ver “todo el tiempo”, sino que veamos imágenes seguidas, como los fotogramas. Por eso el cine ha podido funcionar, ya que pone imágenes a una velocidad parecida a la que podemos captar. Otros animales, como los perros, tienen una corteza visual más rápida y no son capaces de ver la televisión.

Los átomos que participan en este intercambio son fácilmente adquiribles con la dieta. Los más relevantes son el calcio, el potasio, el cloro y el sodio. Cada vez que tomamos sal de mesa, estamos aportando a nuestro cerebro cloro y sodio. Esto no es casualidad. La vida se originó en el medio marino y nuestras células prefieren trabajar en agua salada.

Lo que vemos en el vídeo es el calcio. Prácticamente no tenemos calcio en el interior de las neuronas, todo está acumulado en su exterior; así que al activarse una neurona el calcio entra en el interior de la misma. Aunque las neuronas se encarguen de sacar rápidamente todo el calcio una vez ha entrado, para otras células el calcio es tan valioso que prefieren guardarlo en su interior y sólo soltarlo cuando lo necesiten. Esto sucede por ejemplo en el tejido muscular: los músculos se contraen gracias al calcio y usan un mecanismo de almacenamiento de calcio: lo unen a una proteína llamada calmodulina.

El mecanismo de la calmodulina es como el de una pinza de tender la ropa. Si no hay átomos de calcio la pinza permanece cerrada, pero si contacta con un átomo de calcio se abre y lo atrapa. El avance en esta investigación vino cuando se intentó unir esta pinza a alguna proteína fluorescente, de manera que al unirse el calcio la proteína brillaría en la oscuridad y se podría grabar en vídeo.  Tras varias pruebas de ensayo y error (que aún continúan en una carrera por encontrar la proteína más brillante), se logró elaborar una proteína que se iluminaba al unirse el calcio, a la que bautizaron como GCaMP.

calmodulina
Esquema del mecanismo de acción de la proteína GCaMP. Al unir el calcio se ilumina.

Podemos usar ratones transgénicos que tengan esa proteína en el interior de las neuronas y verlas iluminadas bajo el microscopio, como se ve precisamente en el vídeo. Cada vez que una neurona manda una señal eléctrica, el calcio entra a la célula y ésta brilla en la oscuridad.

Pero el investigador que quiera aprovechar esta técnica se encuentra con dos problemas: ver el calcio no significa ver la actividad eléctrica de la neurona, porque el calcio tarda mucho en volver a salir de la misma, impidiendo saber cuántas veces se ha activado la neurona cada vez que se ilumina; y el otro problema es que hablamos de la fluorescencia de una neurona: no son como las estrellas que se ponen en el techo de los niños, se necesita de microscopios muy potentes y con sistemas especiales de iluminación para ver la señal. Para realizar un vídeo como el de arriba se necesita de un microscopio de dos fotones, un aparato caro y que requiere un gran mantenimiento. En el mundo existen muy pocos laboratorios que tengan este microscopio y un sistema de registro adecuado para leer la actividad del cerebro despierto.

Uno de estos microscopios esta en Tokio. Por eso escribo este artículo montado en un vuelo transiberiano de 15 horas para pasar tres meses en un laboratorio japonés.

Piensa en el vídeo. Cuando se pudo registrar la actividad eléctrica de una neurona pudimos entender cómo funciona cada neurona del cerebro. Ahora imagina que podemos ver 600 neuronas a la vez: podríamos ver como se activan cuando se forma un recuerdo, cuando pensamos en una recompensa, cuando dormimos o en enfermedades neurológicas como la epilepsia.

Hay todo un mundo de posibilidades detrás. Por eso me gusta mi trabajo. Por eso comienza esta nueva aventura.

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