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Un neurocientífico rebelde cree que ha descifrado el código por el cual el cerebro forma la memoria a largo plazo

Theodore Berger, ingeniero biomédico y neurocientífico de la Universidad del Sur de California en Los Angeles, imagina que un día en un futuro no muy lejano un paciente con pérdida severa de la memoria puede obtener ayuda de un implante electrónico. En las personas cuyos cerebros han sufrido daños causados por la enfermedad de Alzheimer, un derrame o lesión cerebral, las redes neuronales interrumpidas impiden a menudo la formación de recuerdos a largo plazo. Durante más de dos décadas, Berger ha diseñado chips de silicio para imitar el procesamiento de las señales que producen las neuronas cuando están funcionando correctamente en la función que nos permite recordar experiencias y conocimientos durante más de un minuto. En última instancia, Berger quiere restaurar la capacidad de crear recuerdos a largo plazo mediante la implantación de chips como estos en el cerebro.

La idea es tan audaz y tan lejos de la corriente principal de la neurociencia que muchos de sus colegas, dice Berger, piensan que él está del lado de la locura. “Me dijeron que estaba loco hace mucho tiempo”, dice con una sonrisa, sentado en una sala de conferencias adyacente a uno de sus laboratorios. Sin embargo, dado el éxito de los recientes experimentos que llevó adelante su grupo y varios colaboradores cercanos, Berger se está desprendiendo de la etiqueta de loco y obteniendo cada vez más el rol de un pionero visionario.

A Berger y sus socios de investigación aún les falta llevar a cabo pruebas de sus prótesis neuronales en humanos, pero sus experimentos muestran cómo un chip de silicio conectado externamente por medio de electrodos en el cerebro de ratas y monos puede procesar la información igual que las neuronas reales. “No estamos poniendo las memorias individuales de nuevo en el cerebro”, dice. “Estamos poniendo la capacidad de generar recuerdos.” En un experimento impresionante publicado el pasado otoño, Berger y sus colaboradores demostraron que también podían ayudar a los monos a recuperar recuerdos a largo plazo de la parte del cerebro que los almacena.

Si un implante de memoria suena inverosímil, Berger señala otros éxitos recientes de la neuroprótesis. Los implantes cocleares ayudan ahora a más de 200.000 personas sordas a oír, al convertir el sonido en señales eléctricas y enviarlas al nervio auditivo. Mientras tanto, los primeros experimentos han demostrado que unos electrodos implantados pueden permitir que las personas paralizadas muevan brazos robóticos con sus pensamientos. Otros investigadores han tenido un éxito preliminar con retinas artificiales en las personas ciegas.

Sin embargo, la restauración de una forma de la cognición en el cerebro es mucho más difícil que cualquiera de esos logros. Berger ha pasado gran parte de los últimos 35 años tratando de comprender las cuestiones fundamentales sobre el comportamiento de las neuronas en el hipocampo, una parte del cerebro que, se sabe, está involucrada en la formación de la memoria. “Es muy claro”, dice. “El hipocampo convierte los recuerdos a corto plazo en memoria a largo plazo.”

Lo que ha sido de todo menos claro es cómo logra el hipocampo esta complicada hazaña. Berger ha desarrollado teoremas matemáticos que describen cómo las señales eléctricas se mueven a través de las neuronas del hipocampo para formar una memoria a largo plazo, y se ha demostrado que sus ecuaciones coinciden con la realidad. “Usted no tiene que hacer todo lo que hace el cerebro, pero se pueden imitar al menos algunas de las cosas que hace el verdadero cerebro?”, Se pregunta. “¿Se puede modelar y ponerlo en un dispositivo? ¿Se puede conseguir que el dispositivo funcione en cualquier cerebro? Son esas tres cosas las que llevan a las personas a pensar que estoy loco. Ellos piensan que es demasiado difícil “.

Descifrando el Código

Berger habla a menudo con frases que se extienden hasta longitudes de párrafo y que tienen muchos apartes, notas al pie y desvíos totales del tema. Le pido que defina la memoria. “Es una serie de impulsos eléctricos en el tiempo que son generadas por una cantidad determinado de neuronas”, dice. “Eso es importante porque se puede reducir eso así y ponerlo de nuevo en funcionamiento. No sólo se puede entender en términos de los eventos biológicos que sucedieron, lo que significa que usted puede colocarlo, puede manejarlo, puede poner un electrodo allí y puede grabar algo que coincide con la definición de un recuerdo. Usted puede encontrar las 2.147 neuronas que forman parte de esta memoria. ¿Y qué es lo que generan? Generan esta serie de pulsos. No es extraño. Es algo que usted puede manejar. Es muy útil. Es lo que ocurre”.

Esta es la visión convencional de la memoria, pero sólo roza la superficie. Y para frustración perpetua de Berger, muchos colegas que indagan sobre este misterioso reino del cerebro no han tratado de ir mucho más profundo. Los neurocientíficos rastrean señales eléctricas en el cerebro mediante el control de los potenciales en acción, cambios de microvoltios en la superficie de las neuronas. Pero con demasiada frecuencia, dice Berger, sus informes simplifican lo que en verdad está ocurriendo. “Encuentran un acontecimiento importante en el entorno y registran los potenciales en acción”, dice. “Ellos dicen, ‘Subió de 1 a 200 después de que hice algo, encontré algo interesante’. ¿Qué has encontrado? ‘La actividad aumentó’. Pero ¿qué has encontrado? ‘La actividad subió’. ¿Y qué? ¿Es la codificación de algo? ¿Representa algo que le importa a la siguiente neurona? ¿Hace que la siguiente neurona haga algo diferente? Eso es lo que se supone que debemos hacer: explicar las cosas, no sólo describir las cosas”.

Berger tiene un marcador y una pizarra llena de arriba abajo con una línea de círculos que representan a las neuronas. Al lado de cada uno, él dibuja una línea horizontal que tiene un patrón diferente de “blips” en él. “Esto está en mi cerebro”, dice. “Mi hipocampo ya ha formado una memoria a largo plazo de ustedes. Te recordaré la próxima semana. Pero, ¿cómo puedo distinguirle de la siguiente persona? Digamos que hay 500.000 células en el hipocampo que lo representan a usted, y hay todo tipo de cosas que cada célula codifica —de forma similar a la manera en que la nariz es relativa a sus cejas— que se codifican con diferentes patrones. Así que la realidad del sistema nervioso es muy complicada, por lo que todavía estamos haciéndonos esas preguntas, limitadas y básicas, acerca de él “.

En la escuela de posgrado en Harvard, el mentor de Berger fue Richard Thompson, que estudió los cambios localizados que son inducidos en el cerebro por el aprendizaje. Thompson utilizó un tono y una bocanada de aire para condicionar a los conejos a parpadear, con el objetivo de determinar dónde se almacenaba la memoria que él inducía. La idea era encontrar un lugar específico en el cerebro donde se localiza el aprendizaje, dice Berger: “Si el animal aprendió algo y usted lo quita, el animal no podría recordar.”

Thompson, con la ayuda de Berger, logró hacer precisamente eso. Publicaron los resultados en 1976. Para encontrar el sitio en los conejos, equiparon los cerebros de los animales con electrodos que podían monitorear la actividad de una neurona. Las neuronas tienen compuertas en sus membranas que permiten que las partículas cargadas eléctricamente, como el sodio y el potasio, entren y salgan. Thompson y Berger documentaron los picos eléctricos observados en el hipocampo cuando los conejos desarrollaban un recuerdo. Tanto la amplitud de los picos (que representa el potencial en acción) como su espaciamiento formaban patrones. No puede ser un accidente, pensó Berger, que las células se disparen de una manera que forma patrones a lo largo del tiempo.

Esto lo llevó a una cuestión central que subyace en su trabajo actual: cuando las células reciben y envían señales eléctricas, ¿qué patrón describe la relación cuantitativa entre la entrada y la salida? Es decir, si una neurona se activa en un momento y lugar específico, qué es exactamente lo que hacen las neuronas vecinas en respuesta? La respuesta podría revelar el código que utilizan las neuronas para formar una memoria a largo plazo.

Pero pronto quedó claro que la respuesta es sumamente compleja. A finales de 1980, Berger, que trabaja en la Universidad de Pittsburgh con Robert Sclabassi, quedó fascinado por una propiedad de la red neuronal en el hipocampo. Cuando estimularon el hipocampo de un conejo con impulsos eléctricos (entrada) y registraron cómo se movieron las señales a través de diferentes poblaciones de neuronas (salida), la relación que observaron entre ambas no era lineal. “Digamos que usted pone en 1 y obtiene 2”, dice Berger. “Eso es muy fácil. Es una relación lineal. “Resulta, sin embargo, que no hay “ninguna condición esencialmente en el cerebro en la que se obtiene actividad lineal, una suma lineal”, dice. “Siempre es no lineal.” Las señales se superponen, con alguna supresión en los pulsos entrantes, y acentuando otros.

A principios de la década de 1990, su comprensión —y los circuitos de la computadoras— habían avanzado hasta el punto de que pudo trabajar con sus colegas del departamento de ingeniería en la Universidad del sur de California para hacer chips de ordenador que simularan el procesamiento de la señal que se produce en algunas partes del hipocampo. “Se hizo evidente que si podía lograr que estas cosas funcionaran en gran cantidad en circuitos, tienes parte del cerebro”, dijo. “¿Por qué no conectarlo a lo que existe en el cerebro? Así que me puse a pensar seriamente acerca de las prótesis mucho antes de que alguien siquiera lo considerara.”

Un implante en el cerebro

Berger comenzó a trabajar con Vasilis Marmarelis, ingeniero biomédico de la USC, para empezar a hacer una prótesis cerebral. Ellos primero trabajaron con cortes de hipocampo de ratas. Sabiendo que las señales neuronales se mueven de un extremo al otro del hipocampo, los investigadores enviaron pulsos aleatorios al hipocampo, registran las señales en varios lugares para ver la forma en que se transformaban, y luego derivaron las ecuaciones matemáticas que describían las transformaciones. Implementaron entonces esas ecuaciones en chips de computadora.

A continuación, para evaluar si ese chip podría servir como prótesis para una región dañada del hipocampo, los investigadores vieron si podían saltear un componente central de la vía en las rodajas de cerebro. Los electrodos colocados en la región llevaron los impulsos eléctricos a un chip externo, que realizó las transformaciones que normalmente se producen en el hipocampo. Otros electrodos entregaban las señales de regreso al trozo de cerebro.

A continuación, los investigadores dieron un paso adelante al probar esto en ratas vivas, demostrando que el ordenador podía, de hecho, servir como un componente artificial del hipocampo. Comenzaron por entrenar a los animales para que empujaran una de dos palancas para recibir un premio, grabando la serie de pulsos en el hipocampo cuando elegían la correcta. Utilizando estos datos, Berger y su equipo modelaron la forma en que se transformaban las señales cuando el aprendizaje se convirtió en una memoria a largo plazo, y capturaron el código que creían que representaba ese recuerdo. Demostraron que su dispositivo podría generar ese código de memoria a largo plazo a partir de las señales de entrada grabadas en el cerebro de las ratas, además de que aprendieron la tarea. Luego les dieron a las ratas un fármaco que interfiere con su capacidad de formar recuerdos a largo plazo, haciendo que se olvidaran de que palanca era la buena. Cuando los investigadores enviaron los pulsos del código a los cerebros de las ratas drogadas, los animales fueron de nuevo capaces de elegir la palanca correcta.

El año pasado, los científicos publicaron experimentos con primates que involucran la corteza prefrontal, una parte del cerebro que recupera los recuerdos a largo plazo creados por el hipocampo. Colocaron electrodos en los cerebros de los monos para capturar el código formado en la corteza prefrontal que, creían ellos, hacen que los animales puedan recordar una imagen que se les ha mostrado antes. Luego, drogaron a los monos con cocaína, que afecta una parte del cerebro. Al usar los electrodos implantados para enviar el código correcto a la corteza prefrontal de los monos, los investigadores mejoraron significativamente el rendimiento del animal en la tarea de identificación de la imagen.

Dentro de los próximos dos años, Berger y sus colegas esperan implantar en animales una prótesis real de memoria. También quieren demostrar que sus chips del hipocampo pueden formar recuerdos a largo plazo en muchas situaciones diferentes de comportamiento. Estos chips, después de todo, se basan en ecuaciones matemáticas derivadas de los propios experimentos de los investigadores. Simplemente, podría ser que los investigadores hubiesen imaginado que un código está asociado a una tarea específica. ¿Y si esos códigos no son generalizables, y las diferentes entradas se procesan de diferentes maneras? En otras palabras, es posible que no hayan descifrado el código, sino que se hayan limitado a decodificar unos mensajes sencillos.

Berger admite que éste podría ser el caso, y que sus chips sólo pueden formar recuerdos a largo plazo en una cantidad limitada de situaciones. Sin embargo, señala que la morfología y la biofísica del cerebro limitan lo que éste puede hacer: en la práctica, sólo hay varias maneras de que se puedan transformar las señales eléctricas en el hipocampo. “Creo que vamos a encontrar un modelo que sea bastante bueno para un montón de condiciones, y tal vez la mayoría de las condiciones,” dice. “El objetivo es mejorar la calidad de vida de alguien que tiene un déficit severo de memoria. Si puedo darles la capacidad de fijar nuevos recuerdos a largo plazo de la mitad de las condiciones que viven la mayoría de las personas, voy a ser feliz como el infierno, y así estará la mayoría de los pacientes”.

A pesar de las incertidumbres, Berger y sus colegas están planeando realizar estudios en humanos. Él está colaborando con los médicos en su universidad, que están probando el uso de electrodos implantados en cada lado del hipocampo para detectar y prevenir las convulsiones en los pacientes con epilepsia severa. Si el proyecto avanza según lo previsto, el grupo de Berger se unirá a las pruebas para observar los códigos de memoria en los cerebros de los pacientes.

“Nunca pensé que vería a esto llegando va los humanos, y ahora conversamos son acerca de cuándo y cómo”, dice. “Nunca pensé que viviría para ver el día, pero ahora creo que lo haré.”

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti

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