JuntosBien quiere explicar de qué trata la maravilla que ganó el Nobel
de Medicina 2014. Los investigadores John O’Keefe y el matrimonio
May-Britt y Edward Moser han recibido el premio Nobel de Medicina por
descubrir las células que componen el sistema de posicionamiento en el
cerebro humano. ¿Qué quiere decir eso? ¿En que afecta nuestra vida
cotidiana? El trabajo de los 3 investigadores desvela las neuronas que
nos ayudan a “saber dónde estamos y a dónde queremos ir”.
El descubrimiento del posicionamiento en el cerebro supone "un cambio
de paradigma" para entender cómo un grupo de células especializadas se
encargan de tareas cognitivas complejas y "abre una vía" para entender
la memoria, el pensamiento y nuestra capacidad de planear, ha añadido el
Comité. ¿Qué sabe Ud. del GPS? Repasemos: es un sistema global de navegación por satélite cuyas siglas en inglés son GNSS, y permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza GPS diferencial). El sistema fue desarrollado, instalado y empleado por el Departamento de Defensa de USA y es consecuencia de 24 satélites en órbita sobre el planeta Tierra, a 20.200 km, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie.
Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo 3 satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Entonces, el equipo sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante "triangulación" (método de trilateración inversa), la cual se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición.
El concepto de GPS aparece, en muchas ocasiones, vinculado al cerebro. Por ejemplo, cuando se habla de "neuronavegador". La empresa alemana Brain Labs desarrolló un equipo que permite navegar dentro del cerebro con imágenes tridimensionales, reconstruir imágenes en diferentes planos -sagital, coronal y axial- y conocer la distancia exacta de todas las estructuras del cerebro.
Los medicos cirujanos pueden utilizarlo para operar, por ejemplo, un aneurisma cerebral, lesión muy pequeña y que ubicar con precisión resulta un desafío.
Otro que recurrió al concepto de GPS, en el contexto del cerebro, fue el Allen Institute for Brain Science, de USA, que construyó su “Allen Human Brain Atlas”, el 1er. mapa del cerebro humano que integra tanto la anatomía como la genómica del cerebro, y es capaz de identificar 1.000 localizaciones anatómicas del cerebro humano, y complementarlas con más de 100 millones de datos sobre la expresión genética particular de cada localización, así como sobre su bioquímica subyacente.
Para el desarrollo del Allen Human Brain Atlas, los investigadores del Allen Institute caracterizaron y cartografiaron la bioquímica de los cerebros de 2 humanos adultos normales. Los datos obtenidos revelaron, por ejemplo, que la similitud entre los cerebros humanos es del 94%, pudiendo así establecerse estándares firmes para la investigación clínica del cerebro.
En ese contexto se constató que al menos el 82% de todos los genes humanos está expresado en el cerebro (lo que constituye una muestra de su enorme complejidad).
Pero el cerebro tiene su propio GPS interno.
Un cerebro acumula 85.000 millones de neuronas, la mayoría de ellas localizadas en la parte más superficial que es lo que denominamos corteza cerebral. Cada zona de la corteza está íntimamente relacionada con una función.
Eso significa que, por ejemplo, cuando vemos algo se activan las neuronas de la parte posterior del cerebro, las de la corteza visual, y que cuando movemos los músculos de la boca para hablar, las órdenes provienen de una pequeña zona situada en la parte delantera izquierda que se conoce como Área de Broca en honor del investigador que descubrió su función (el francés Paul Pierre Broca).
En la parte interna de los hemisferios cerebrales tenemos una zona llamada hipocampo, que está muy relacionada con los procesos de memoria y aprendizaje, y también con la localización y orientación en el espacio.
En esa zona de nuestro cerebro se localizan unas neuronas que sólo se activan cuando estamos en un lugar concreto, reciben el nombre de neuronas de lugar. Si Ud. va andando desde su casa a su trabajo todos los días, cuando sale a la calle se activa un grupo de neuronas, siempre las mismas que reconocen los elementos que hay en la puerta de su casa.
A medida que Ud. va caminando y pasando por otras calles conocidas son otros grupos de neuronas las que se activan, reconocen las calles y saben el camino a seguir. Si un día Ud. sigue un camino nuevo… no hay un grupo de neuronas que reconozca ese lugar, por eso le resultará desconocido. Pero un grupo de neuronas se organizará sobre la marcha para responder a ese nuevo sitio y serán las que se activarán la próxima vez que Ud. elija ese camino.
Maravilloso. Increíble. Y lo que siempre ocurre ante descubrimientos semejantes: ¿Ud. realmente cree que es producto de la casualidad o de la creación realizada por un Dios poderoso? Se necesita más fe para cree que fue resultado de la casualidad, sin duda...
Hace unos años se demostró que incluso cuando se sueña con una determinada localización se activan las neuronas que reconocen ese sitio cuando estamos despiertos.
Estas células han llamado la atención de los neurocientíficos desde su descubrimiento allá por 1971, por John O’Keefe, y su estudiante Jonathan Dostrovsky, quienes las vieron por primera vez en ratas. Se convirtieron rápidamente en uno de los campos más activos en la neurociencia y esta actividad se mantiene en nuestros días.
Como ejemplo 2 trabajos muy recientes sobre nuevas funciones de estas células:
> Antes de empezar a caminar, estas células comparan las posibles vías para llegar a nuestro destino y eligen la mejor en cada momento en función de la información que tenemos.
> Estas células en animales voladores tales como los murciélagos, procesan información en las 3 dimensiones del espacio: adelante-atrás, derecha-izquierda y arriba-abajo.
El premio
Los investigadores John O’Keefe y el matrimonio May-Britt y Edvard Moser han recibido el premio Nobel de Medicina 2014 por descubrir las células que componen ese sistema de posicionamiento que tiene el cerebro humano, las neuronas que nos ayudan a “saber dónde estamos y a dónde queremos ir”, según ha resumido uno de los miembros del Comité que otorga cada año el premio.
El neurocientífico británico-estadounidense O'Keefe, profesor de neurociencia en el University College de Londres, recibe la mitad del premio; y los noruegos May-Britt y Edvard Moser, marido y mujer, investigadores en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, comparten la otra mitad del galardón.
Es la 5ta. vez que un matrimonio gana un premio Nobel.
O'Keefe
John O'Keefe descubrió en 1971 un tipo de células nerviosas que se activaban alternativamente cuando una rata estaba en uno u otro punto de un habitáculo. Se trataba de las primeras neuronas de posicionamiento que se observaban y se encargaban de hacer un "mapa de la habitación".
Esas "células de lugar" se encontraban en el hipocampo, la región del cerebro que recibe su nombre por tener forma de caballito de mar.
El hipocampo es una de las partes más internas, mejor conservadas y primitivas del cerebro, y tiene todo el sentido pues la orientación y el posicionamiento son esenciales para conocer el entorno y evitar acabar siendo devorado por un depredador.
"Conocí a O'Keefe en los '70, cuando yo aún era un estudiante, y su teoría del hipocampo como mapa cognitivo no se la creía nadie", recordó Juan Lerma, hoy día director del Instituto de Neurociencias de Alicante (España).
"Es un auténtico pionero", porque actualmente muchos neurocientíficos estudian esas neuronas de lugar, en parte porque las técnicas para estudiarlas son "mucho más fáciles que hace 30 años", explicó Lerma.
Gracias a microelectrodos, "unas finísimas agujas que llevan circuitos impresos", se puede medir la actividad de cientos de neuronas en el hipocampo y desentrañar ese mapa cognitivo del que hablaba en los '70.
Los Moser
En 2005 el trabajo de O'Keefe fue reivindicado cuando el matrimonio Moser descubrió un nuevo componente del GPS cerebral: las "células de red", un sistema interconectado de neuronas que determinan la posición y nos ayudan a encontrar un camino determinado.
Los expertos en redes complejas naturales, una disciplina que aúna a neurocientíficos, físicos y matemáticos, creen que si nuestras redes artificiales imitasen a las redes naturales no sucederían estos fallos catastróficos. Pero ¿cómo hace el cerebro para ser tan estable y resistente a apagones?
Edvard y May-Britt Moser, quienes actualmente trabajan en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, también mostraron cómo las células de lugar descritas por O'Keefe y las de red se compenetran para determinar la posición y ayudar al individuo a orientarse.
Usando ratas de laboratorio, el plan de seguir cierto trayecto -por ejemplo del baño a la cocina, o de casa al trabajo) consiste en la activación secuencial de las células de lugar que representan el trayecto en ese mapa interior.
El hipocampo es una estructura situada en el centro del cerebro, y debe el nombre a su vago parecido con un caballito de mar (hipocampo en latín). Tiene un papel esencial en la formación de memorias, y también en su recolección de la base de datos, aunque por mecanismos que todavía no se comprenden en profundidad.
Brad Pfeiffer y David Foster publicaron recientemente un trabajo al respecto en la revista Nature, pudiendo registrar la actividad de 250 células de lugar simultáneamente y de forma continua –con una resolución temporal cercana a los 20 milisegundos— mientras la rata está resolviendo problemas equiparables a los de un taxista, como decidir la mejor forma de volver a casa tras haber estado explorando su laberíntico entorno en busca de comida.
Pfeiffer y Foster, de la facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins, en Baltimore (USA), aplicando las investigaciones de O'Keefe y los Moser, han podido averiguar que, justo cuando la rata está decidiendo qué camino tomar para volver a casa, las neuronas de lugar del hipocampo se disparan en una secuencia que representa los puntos sucesivos de la trayectoria que después –en efecto— seguirá.
No se trata de una trayectoria recordada, porque lo anterior es verdad incluso cuando el animal no ha tomado nunca ese camino. Se trata de una verdadera hoja de ruta, análoga a la que el GPS del vehículo ofrece al conductor atribulado: vaya hasta aquella calle, luego tome hacia la izquierda y demás. Una verdadera simulación mental de lo que ocurrirá después.
Investigadores españoles acaban de aportar importantes datos sobre el tema. Dada la inmensidad del cerebro, ellos redujeron las redes neuronales a esquemas de “bolitas y rayitas”, explicó el neurocientífico Santiago Canals, del Instituto de Neurociencias de Alicante. Normalmente nos lleva fracciones de segundo ver un enorme coche negro que pasa a toda velocidad ante nuestros ojos. Lo hacemos gracias a redes neuronales interconectadas que captan movimiento, color y forma.
“Lo que hemos visto es que una red de redes es estable cuando los nodos tienen muchos enlaces dentro de su propia red y, además, los nodos que conectan una red con otra son similares entre sí”, explica Canals acerca del estudio que publicó en Nature Physics y en del que también han participado físicos de USA, Argentina y Brasil.
¿Para qué sirve todo esto?
“Las redes que construimos los humanos están conectadas al azar o en función de los accidentes geográficos”, explicó Canals. “La estructura que hemos observado podría inspirar reformas de las redes eléctricas, por ejemplo, haciendo que esta e Internet se comuniquen entre sí solo desde grandes nodos de tipo similar [en número de conexiones]”, agregó.
Otro campo de aplicación de esta incipiente disciplina es entender mejor enfermedades psiquiátricas y neurológicas. El equipo de Canals ha comenzado ya a hacer estudios con animales para comprobar que hay enfermedades neurológicas y psiquiátricas achacables a malas conexiones que reorganizan el cableado del cerebro.
Pero nada de todo hubiese sido posible sin John O’Keefe y el matrimonio May-Britt Moser y Edward Mose.
Los hallazgos de los 3 se hicieron en animales, pero más recientemente se ha descubierto de que hay un sistema similar en el cerebro humano.
Gracias a las nuevas técnicas de imagen cerebral y también al estudiar pacientes que necesitaban cirugía en el encéfalo se ha demostrado que nuestro cerebro también tiene esas células de lugar y de red que componen el GPS interno.
Las células de red descubiertas por los Moser se encuentran en otra zona del cerebro conocida como la corteza entorrinal y que se comunica con el hipocampo para que el sistema funcione correctamente. En los enfermos de Alzhéimer esas 2 áreas del encéfalo sufren daños y por eso los pacientes tienen problemas para orientarse y llegan a perderse.
El estudio de estas redes cerebrales, dice el Comité de la Asamblea Nobel del Instituto Karokinska (Estocolmo, Suecia), puede ayudar ahora a explicar cómo esta enfermedad causa una "devastadora pérdida de memoria".
El descubrimiento del posicionamiento en el cerebro supone "un cambio de paradigma" para entender cómo un grupo de células especializadas se encargan de tareas cognitivas complejas y "abre una vía" para entender la memoria, el pensamiento y nuestra capacidad de planear, ha añadido el Comité.
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