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DOSSIER - EL CEREBRO

El cerebro. Ese gran reto

Juan Lerma

El estudio del cerebro y su entendimiento se presenta como el gran reto del siglo XXI. El impacto que la resolución de las complejas tareas cerebrales ha de tener en el futuro de la sociedad es incuestionable. Quizá por eso la explicación de cómo se genera la conducta humana y sus desarreglos son temas que han apasionado a la humanidad durante siglos, pero es ahora cuando la comunidad científica está en condiciones de empezar a dar respuesta con datos y mecanismos a estos desafíos.

E
l siglo XX vio nacer la neurociencia moderna de la mano de Santiago Ramón y Cajal. Se puede considerar el siglo de las luces de la neurociencia. Por una parte se sentaron las bases anatómicas de la estructura del sistema nervioso y se determinaron los pilares fundamentales para la compresión del funcionamiento cerebral. Existe una ingente cantidad de datos sobre la disposición, estructura y el funcionamiento de las neuronas, cómo se comunican, los neurotransmisores que usan en su diálogo perpetuo, los receptores que estos activan, cómo se disponen, cuál es su biología, etc. No es cierto que sepamos poco sobre el cerebro, como habitualmente se dice; sabemos mucho, pero el problema de su entendimiento total es tan magno que nos queda aún una larga travesía para entender cómo se generan los aspectos más emergentes de esa intrincada red de 80 000 millones de neuronas que conforman el cerebro humano.

El siglo XXI está asistiendo a la solución de varios retos planteados en torno al conocimiento del cerebro y el progreso en la comprensión del mismo está, a mi entender, progresando aceleradamente. A ello están contribuyendo varios aspectos fundamentales. Por un lado, la incorporación de varias disciplinas científicas al conjunto de la neurociencia. La informática, la psicología, la biología molecular, la bioquímica, la óptica, etc., se han convertido en ciencias que invaden y fecundan el campo de la neurociencia, clásicamente dependiente de disciplinas más básicas como la anatomía y la fisiología. Incluso la química se incorpora para ayudar a mejorar la observación del cerebro y sus estructuras. Como ejemplos, sirva pensar en el desarrollo de la microscopía superresolutiva (Schermelleh et al., 2010), objeto del último premio Nobel de Química o el desarrollo recientísimo de la microscopía expansiva (Chen et al., 2015), técnica que permite expandir hasta 5 veces de manera isotrópica el cerebro (sería como llevar un cerebro de rata al tamaño de una mandarina) aumentando la resolución y la capacidad de visionado tridimensional de estructuras y circuitos aprovechando otra técnica de desarrollo reciente (CLARITY; Chung et al., 2013) con la que el cerebro se hace totalmente transparente. Esta tiene gran importancia, pues permite no prescindir de la tridimensionalidad en un órgano donde la misma es tremendamente importante.

«La Academia Sueca parece haberse dado cuenta de la magnitud de la obra de entender el cerebro y de la importancia capital de la misma para la humanidad.»
El desarrollo de la tecnología de imagen cerebral ha supuesto un paso adelante en el estudio del cerebro. La resonancia magnética ofrece una amplia variedad de enfoques para sondear la estructura y la función del cerebro humano de forma no invasiva durante las tareas cognitivas. Un repaso a cómo la observación del cerebro ha evolucionado, generado nuevos niveles de análisis y su potencial impacto es el objeto del artículo de Miguel Maravall, Luis Martínez Otero y Santiago Canals.

Por otro lado y como resultado de lo anterior, el conocimiento acumulado durante el siglo XX. Si se tuviera que escribir la crónica neurocientífica del pasado siglo, y aun pudiendo existir diversas versiones, hay aspectos de la misma que no se pueden dejar de mencionar, comenzando con la teoría neuronal y la ley de polarización dinámica de Ramón y Cajal. Con estas se establecía que las neuronas eran elementos individuales, como cualquier otra célula, y que existía una polarización devenida de la especialización funcional de las diversas partes de la neurona. Estos enunciados tan simples provocaron cuestiones que se han tardado en contestar decenas de años desde la desaparición de Cajal. Cómo se genera y transmite el impulso nervioso, resuelto por Hodking y Huxley mediado el siglo, y cómo se transfiere la información a las neuronas vecinas ha sido tema de investigación exhaustiva durante el siglo XX. El descubrimiento de los neurotransmisores, sustancias químicas que son liberadas por una célula y que excitan o inhiben a la siguiente en ese punto de aposición, cuya existencia Cajal postuló y que Sherrington denominó sinapsis, ha sido un fecundo campo de estudio en el último medio siglo. Precisamente el comité Nobel otorgó su premio en 2013 a los pioneros que desentrañaron una intrincada maquinaria celular mediante la cual estas sustancias se almacenan y se liberan de manera exquisitamente regulada. El lector podrá encontrar una somera descripción de estos mecanismos en el artículo de Rafael Fernández-Chacón y Josep Rizo, dos investigadores que contribuyeron significativamente al desenmarañado de este fenómeno colaborando con uno de los laureados, Tom Südhof.

 

Otros hitos alcanzados en el siglo XX hacen referencia a la estructuración cerebral, que ha provisto un marco conceptual en el abordaje del estudio funcional del cerebro. Por ejemplo, la definición de las columnas corticales, anticipadas por Lorente de No, y puestas de manifiesto por Vernon Mountcastle, un gigante de las neurociencias que nos abandonó recientemente, sirve de marco para entender cómo la corteza cerebral procesa la información. La definición y caracterización no solo de la plasticidad neuronal, sino de la plasticidad sináptica, que empezó a sentar las bases para el entendimiento a nivel celular y molecular de la memoria y el aprendizaje. El problema de cómo percibimos el espacio y cómo tenemos autoconciencia de nuestra posición en el mismo ha preocupado a los científicos durante siglos. Efectivamente, la existencia de neuronas cuya actividad está relacionada con la posición en el espacio puede servir al cerebro, es decir a nosotros mismos, para percibir o recordar nuestra posición en el entorno.

«El problema de la cognición, de entender cómo se genera la conciencia, no está resuelto. Hace falta trabajar más sobre este y otros temas fundamentales del funcionamiento del sistema nervioso. Del cerebro sabemos mucho, pero nos queda aun más por descubrir y describir.»
Todos estos hitos permiten abordar la ardua tarea de entender el cerebro en el siglo XXI. El desarrollo de la neurociencia y su conjunción con la psicología experimental, por ejemplo, han hecho posible empezar a contestar preguntas hasta ahora vetadas de manera efectiva, a veces confirmando conceptos avanzados desde la filosofía clásica. Es el caso del uso de técnicas de reciente desarrollo, como la optogenética (Lima y Miesenböck, 2005), junto al detallado conocimiento molecular de la plasticidad neuronal y sináptica hacen posible la manipulación de los recuerdos o, al menos, del contenido emocional de los mismos. Roger Redondo describe en su artículo cómo esto es posible.

 

En algo menos de 50 años, el desarrollo de la tecnología de registros electrofisiológicos in vivo, la decodificación de los parámetros usados por ensamblajes de neuronas corticales durante el movimiento, junto con el desarrollo de electrodos de silicio, etc., han dado origen a un campo de extraordinaria potencialidad. Se trata de la comunicación cerebro-máquina. Ello ya está permitiendo mover brazos robóticos o acccionar sillas de ruedas a través de la actividad cerebral convenientemente procesada y analizada por un ordenador, si bien con ciertas dificultades. Pero no cabe duda que llegará un día que solo con pensarlo podamos ordenar tareas a robots o controlar máquinas remotas. Igualmente, el perfeccionamiento de la estimulación cerebral profunda ha abierto buenas expectativas, como una alternativa al tratamiento de enfermedades como la depresión (Schlaepfer et al., 2013), el parkinson, la epilepsia o el dolor crónico. Tras décadas de investigación básica, el siglo XXI estará lleno de avances significativos en estos campos, recapitulando lo ya avanzado por José Manuel Rodríguez-Delgado hace más de 40 años (Rodríguez-Delgado, 1973).

 

Pero el problema de la cognición, de entender cómo se genera la conciencia, no está resuelto. Hace falta trabajar más sobre este y otros temas fundamentales del funcionamiento del sistema nervioso. Del cerebro sabemos mucho, pero nos queda aún más por descubrir y describir. Baste citar el impacto que los mecanismos epigenéticos, de tan reciente reconocimiento (Bird, 2007), parecen tener no solo en aspectos patológicos, sino en el íntimo funcionamiento cerebral en temas tan trascendentales como el aprendizaje y la potencialidad cerebral de desarrollar las capacidades intelectuales. Existe abundantes datos indicando que, a través de mecanismos epigenéticos, durante el desarrollo cerebral (y recordemos que este es en gran medida posnatal; de hecho la corteza cerebral finaliza su maduración a los 20-21 años de edad), se determina la capacidad intelectual a futuro del individuo (Hackman et al., 2010). En definitiva, que la educación y el trato adecuado de los infantes es fundamental para la maduración cerebral correcta. Precisamente de cómo la epigenética impacta en el funcionamiento cerebral y de cómo su conocimiento nos puede ayudar a entender los procesos de memoria se ocupa el artículo de Beatriz del Blanco, Alejandro Medrano y Ángel Barco.

 

La Academia Sueca parece haberse dado cuenta de la magnitud de la obra de entender el cerebro y de la importancia capital de la misma para la humanidad. Quizá por eso durante dos años consecutivos ha reconocido con el premio Nobel los descubrimientos básicos relacionados con el funcionamiento cerebral.

 

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Bibliografía

Bird A.: «Perceptions of epigenetics». Nature 2007; 447: 396-8.

Chen F., Tillberg P.W., Boyden E.S.: «Expansion Microscopy». Science 2015; 347: 543-8.

Chung K., Wallace J., Kim S.Y. et al.: «Structural and molecular interrogation of intact biological systems». Nature 2013; 497: 332-7.

Hackman D.A., Farah M.J., Meaney M.J.: «Socioeconomic status and the brain: mechanistic insights from human and animal research». Nature Reviews Neuroscience 2010; 11: 651-9.

Lima S.Q., Miesenböck G.: «Remote control of behavior through genetically targeted photostimulation of neurons». Cell 2005; 121: 141-52.

Rodríguez-Delgado J.: El control físico de la mente: hacia una sociedad psicocivilizada. Madrid: Espasa Calpe, 1973.

Schermelleh L., Heintzmann R., Leonhardt H.: «A guide to super-resolution fluorescence microscopy». J Cell Biol 2010; 190: 165-75.

Schlaepfer T.E., Bewernick B.H., Kayser S., Mädler B, Coenen V.A.: «Rapid effects of deep brain stimulation for treatment-resistant major depression». Biological Psychiatry 2013; 73 (12): 1204-12.


¿Grandes proyectos o proyectos grandes?


G

lobalmente hablando parece que corren vientos a favor para la neurociencia. En Europa se puso en marcha el Proyecto Cerebro Humano (HBP), 1 espléndidamente dotado por la Comisión Europea, y en Estados Unidos el presidente Obama presentó personalmente una iniciativa global sobre investigación neurocientífica llamado BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) Initiative.2

Más recientemente, China ha puesto en marcha otro gran proyecto enfocado en enfermedades cerebrales y Japón planea otro de 10 años centrado en el mapeo cerebral en monos para estudiar trastornos neuronales y mentales humanos (Marmoset Project). Existen grandes diferencias entre estos proyectos, pero todos comparten el reconocimiento político de la importancia para la sociedad moderna del estudio del cerebro. Sin embargo, no hay consenso general sobre los beneficios del proyecto europeo para hacer avanzar la neurociencia.

Por un lado, los partidarios afirman que se trata de la manera de promover un enfoque integrador en neurociencia que permitirá agrupar datos, generar bases de datos que harán mucho más eficiente la comprensión de los problemas cerebrales, estableciendo nuevas sinergias. De hecho, se está implantando la creencia de que los neurocientíficos tenemos que cambiar la forma de hacer ciencia. Pero, por otro, los detractores son escépticos de que la gran inversión en el HBP cumpla las metas que se propone. Hay una creencia extendida de que es prematuro intentar modelar el cerebro humano, cuando aún ignoramos en gran medida muchas de las cuestiones fundamentales de la neurociencia, como la conexión entre cerebro y comportamiento o cómo el cerebro procesa, almacena y recupera los recuerdos, por poner algunos ejemplos. En Europa ha habido un nutrido movimiento de oposición al HBP,3 que cristalizó cuando se anunció que el HBP se iba a limitar principalmente a realizar simulaciones y a la construcción de grandes infraestructuras para procesado de datos ya existentes.4 De hecho, ello ha provocado la revisión del mismo por parte de la Comisión Europea.

«Todos los proyectos comparten el reconocimiento político de la importancia para la sociedad moderna del estudio del cerebro.»

En el fondo, lo que preocupa a muchos neurocientíficos europeos (en su mayoría silenciosos) es si el HBP drenará fondos de investigación para neurociencia en Europa. Teniendo en cuenta que una parte sustancial de su presupuesto de 1000 millones debe ser aportada por los Estados miembros, es fácil para los gobiernos locales pedir a sus neurocientíficos que soliciten los fondos al HBP, dado que ya han hecho una inversión en «neurociencias». Igualmente, la Comisión Europea podría considerar que la inversión en «cerebro» ya está hecha y es suficiente. Esto podría ser catastrófico para los avances de la neurociencia europea. Admitiendo la importancia y el impacto que el HBP podría tener, no es el único ni el mejor proyecto en Europa y existen dudas razonables de que poner en manos de tres personas y una institución tal cantidad de fondos sea la mejor manera de actuar. Además, no hay demostración alguna de que las aproximaciones a gran escala a los problemas sean siempre el mejor camino a seguir sin una estructuración razonable.

Estos proyectos faraónicos podrían ser muy productivos si representan una adición. Es decir, si provienen de nuevas fuentes de financiación. Como Eric Kandel, premio Nobel de Medicina o Fisiología en el año 2000, ha subrayado recientemente, de ninguna manera estas grandes inversiones han de resultar en la reducción de fondos disponibles para los programas existentes, que financian la investigación a nivel de grupo. Para él, el avance en el conocimiento del cerebro es una cuestión de dinero, no de ideas. Es más que evidente que el progreso científico se ha construido sobre descubrimientos realizados por grupos comprometidos trabajando en silencio en pequeños laboratorios. La curiosidad ha sido el principal motor que ha impulsado la actividad científica y de donde han brotado las innovaciones durante los últimos siglos. Está por demostrar que las grandes iniciativas con amplios presupuestos alentadas por los programas marco europeos hayan conseguido los objetivos que se propusieron o hayan proporcionado claros avances conceptuales y, en todo caso, si rindieron de acuerdo a la inversión realizada.


Notas

1. Proyecto Cerebro Humano (HBP): https://www.humanbrainproject.eu/.

2.BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) Initiative: http://www.braininitiative.nih.gov/index.htm.

3. Véase por ejemplo, http://sociedad.elpais.com/sociedad/2014/07/21/actualidad/1405963329_410450.html

4. http://www.neurofuture.eu/

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Juan Lerma

Instituto de Neurociencias
CSIC-UMH
Sant Joan d’Alacant, Alicante

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