El Cerebro: Un Misterio Aún Por Descifrar

El cerebro humano, esa compleja red de células que da origen a nuestra conciencia, nuestros pensamientos y nuestras acciones, sigue siendo uno de los mayores enigmas de la ciencia. A pesar de décadas de investigación intensiva y avances tecnológicos asombrosos, estamos lejos de comprender completamente cómo funciona este órgano fascinante.

Si le preguntas a Christof Koch, Ph.D., Científico Jefe y Presidente del Allen Institute for Brain Science, cuán cerca estamos de comprender nuestros propios cerebros, su respuesta es directa y reveladora: “Ni siquiera entendemos el cerebro de un gusano”, afirma.

El gusano de laboratorio, conocido técnicamente como Caenorhabditis elegans, aloja apenas 302 neuronas y 7.000 conexiones entre ellas en su cuerpo microscópico. Los investigadores han mapeado y descrito meticulosamente todas esas conexiones en los últimos años. Y aun así, todavía no comprendemos completamente cómo funcionan todas sinérgicamente para dar lugar a los comportamientos del gusano.

Nosotros, los humanos, tenemos aproximadamente 86 mil millones de neuronas en nuestros cerebros, tejidas entre sí por un estimado de 100 billones de conexiones, o sinapsis. Es una tarea abrumadora comprender los detalles de cómo funcionan esas células individuales, y mucho menos cómo se unen para formar nuestros sistemas sensoriales, nuestro comportamiento, nuestra conciencia.

Pedimos a Koch y a sus colegas neurocientíficos que reflexionaran sobre cuánto aún no sabemos sobre el cerebro y cómo están intentando resolver estos misterios.

¿De qué está hecho el cerebro?

El cerebro consiste, de manera más obvia, en materia gris y materia blanca, el tejido cerebral y sus interconexiones o haces de axones. Si observamos más de cerca la materia gris, podemos distinguir las neuronas y la glia (el otro tipo de célula cerebral). Pero estamos lejos de comprender todos los tipos celulares de neuronas y otras células cerebrales a nivel de lo que hacen.

“¿Cómo podemos comprender el todo si no comprendemos cuántos componentes diferentes existen?”, pregunta Koch.

Él y sus colegas a veces se refieren a esto como el descubrimiento de la “tabla periódica de los tipos celulares cerebrales”. Los químicos tienen una tabla organizada que describe los 118 elementos químicos conocidos (los bloques de construcción de la materia), pero los neurocientíficos carecen de una categorización tan bien definida de los bloques de construcción del cerebro.

Es parte de la naturaleza humana, o al menos de la naturaleza de muchos científicos, comprender algo categorizándolo. Cuando Koch era niño, lo primero que hacía con una nueva caja de Legos era clasificarlos por tipo, cuenta: “Los de uno por uno, los de uno por dos, los de dos por cuatro, etc.”.

Clasificar neuronas no es tan simple. Los investigadores del Allen Institute for Brain Science utilizan varias características para definir un tipo celular cerebral. Diferentes equipos en el Instituto están clasificando células basándose en los genes que activan y desactivan, sus formas detalladas, las regiones del cerebro a las que se conectan y su comportamiento eléctrico único. Luego viene la difícil tarea de juntar toda esa información para definir los tipos celulares cerebrales basándose en todos estos atributos. Esta tarea es fundamental, ya que sin un catálogo completo de los componentes, es imposible entender cómo interactúan para formar sistemas complejos o cómo fallan en la enfermedad.

Como muestra la tabla, la diferencia de escala entre un organismo simple como el gusano y el ser humano es abismal, lo que magnifica la complejidad del desafío de comprensión.

¿Cómo cambia el cerebro en la enfermedad?

Una gran parte de la comprensión de la lista de componentes del cerebro es para que los investigadores puedan entender mejor qué células en el cerebro podrían subyacer a las enfermedades neurológicas y psiquiátricas. Muchos trastornos neuropsiquiátricos no afectan todo el cerebro de manera uniforme, sino que comienzan o son impulsados por clases específicas de neuronas u otras células cerebrales.

“En este momento, no entendemos qué tipos celulares son vulnerables en estas enfermedades”, dice Boaz Levi, Ph.D., neurocientífico en el Allen Institute for Brain Science.

Si los investigadores compilan la lista completa de tipos celulares cerebrales, podrían entonces ver qué tipos de células mueren, crecen sin control o cambian su curso de otra manera en las enfermedades del cerebro. Los investigadores podrían entonces construir mejores herramientas para estudiar esas células desencadenantes de enfermedades, y posiblemente terapias que se dirijan a un solo tipo celular en el corazón de la enfermedad.

Como parte del trabajo del Allen Institute para estudiar diferentes tipos celulares del cerebro humano, Levi y sus colegas desarrollan herramientas moleculares para aislar y rastrear esas células específicas. Esas herramientas podrían ser diseñadas potencialmente para administrar terapias génicas específicas u otros tratamientos directamente a un determinado tipo celular. Los investigadores del Allen Institute están colaborando actualmente con un equipo en el Seattle Children’s Research Institute para probar si una de estas herramientas podría usarse para tratar el síndrome de Dravet, una forma rara pero grave de epilepsia infantil temprana que generalmente es causada por una mutación en un solo gen y que afecta a una clase específica de neuronas. Esto subraya la importancia práctica de clasificar y comprender los tipos celulares: abre la puerta a tratamientos mucho más precisos y efectivos.

¿Cómo se comunican las neuronas?

Los libros de texto de biología nos dicen que el cerebro se comunica a través de sinapsis, conexiones especializadas entre dos neuronas diferentes.

“Creemos que esto es cierto para muchos tipos celulares de neuronas en el cerebro”, dice Jack Waters, Ph.D., neurocientífico en el Allen Institute for Brain Science.

La mayoría de las neuronas utilizan una de dos moléculas de señalización comunes conocidas como neurotransmisores, GABA o glutamato, que se sabe que pasan a través de sinapsis especializadas. Pero hay muchos otros tipos de moléculas de señalización presentes en el cerebro, y no está claro cómo esas moléculas transmiten su mensaje.

Tomemos, por ejemplo, las moléculas sobre las que actúan la mayoría de los fármacos neurológicos o psiquiátricos.

“Si revisaras todos los fármacos de los que la gente ha oído hablar, la mayoría de ellos no actúan sobre el glutamato o el GABA”, dice Waters. “Con fármacos como los opioides o los antidepresivos, en realidad no entendemos los mecanismos de las moléculas subyacentes con las que interactúan esos fármacos”.

Es una pregunta difícil de responder porque es muy amplia, dice Waters. Pero los datos recopilados a través de un proyecto colaborativo conocido como el proyecto IARPA MICrONS podrían ayudar. Ese trabajo, que se lleva a cabo en parte en el Allen Institute, está creando el mapa de conexiones más grande hasta la fecha en el cerebro de mamífero, mapeando una pieza de la corteza visual del ratón del tamaño de un grano de arena que contiene aproximadamente mil millones de sinapsis. Una vez que eso esté completo, los investigadores pueden comenzar a juntar las piezas del rompecabezas de qué moléculas van con qué sinapsis, dice Waters. Esto es un paso gigantesco hacia la comprensión de la intrincada red de comunicación del cerebro más allá de los neurotransmisores más conocidos.

¿Cómo “calcula” el cerebro?

Si comprender la composición del cerebro es un desafío, descifrar cómo esos miles de millones de componentes se unen para permitir todo el comportamiento complejo del cerebro es aún más difícil. El equipo del Allen Brain Observatory tiene como objetivo capturar una pequeña parte de esa complejidad: cómo el cerebro de un mamífero representa y procesa la información visual.

Los neurocientíficos han estado estudiando la parte visual del cerebro de mamífero durante décadas, pero hasta hace muy poco la tecnología solo les permitía capturar información de un puñado de neuronas a la vez. Es como si intentaras ver una película pero solo pudieras ver 1000 píxeles de varios millones en la pantalla, dice Koch.

“Imagina que tienes que inferir quién ama a quién, quién traiciona a quién, qué está pasando con solo esos pocos píxeles”, dice. “Esa es la situación que hemos tenido en neurociencia hasta hace poco. Registras de un puñado de neuronas e intentas inferir algunos principios comunes”.

Los investigadores del equipo del Observatory ahora están observando decenas de miles de neuronas mientras disparan en tiempo real. En cuanto a esos principios de “computación” cerebral, hasta ahora, no parece haber una respuesta simple, dice Koch. La forma en que el cerebro procesa la información y realiza sus funciones cognitivas parece ser mucho más compleja y distribuida de lo que se pensaba inicialmente, desafiando las analogías simples con las computadoras convencionales.

¿Qué significará entender nuestros cerebros?

Cuando pensamos en comprender algo, a menudo pensamos en poder explicarlo de una manera relativamente simple. En ciencia, los investigadores en otros campos miran a la física como un modelo de comprensión, dice Koch, quien es él mismo un ex físico. El mundo físico se presta a abstracciones que pueden reducirse a ecuaciones (relativamente) simples.

Pero, ¿qué pasa si la biología no se presta a ello? Cuanto más estudian Koch y otros en el Allen Institute el cerebro a gran escala, observando muchas o la mayoría de las células en el cerebro en lugar de solo unas pocas, más se dan cuenta de que incluso las partes de la neurociencia que pensaban que el campo tenía dominadas son más complicadas de lo que nadie había imaginado.

“Puede que no haya un camino simple para comprender sistemas complejos moldeados por la selección natural”, dice Koch. “A la evolución no le importa la elegancia. Al cerebro no le importa si lo entiendes”.

Entonces, ¿cómo podemos llegar a una comprensión del cerebro que ayude a la investigación médica y satisfaga nuestra curiosidad sobre este órgano que nos hace singularmente quienes somos? Podría requerir más poder computacional, dice Koch. Los modelos informáticos pueden ayudar, pero podríamos necesitar muchos de ellos para explicar cada pequeña pieza del rompecabezas. O simplemente podría significar abrazar el poder del “big data”.

La buena noticia es que la tecnología ha avanzado hasta el punto en que podemos recopilar y almacenar esos datos en cantidades cada vez mayores. Y en los últimos años, ha habido un creciente interés y financiación para la neurociencia, gracias en parte a la Iniciativa BRAIN de 2013 a través de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU.

“Esta es una era dorada de la ciencia del cerebro”, dice Koch. “Hay muchos más recursos e institutos, como el nuestro, donde podemos abordar preguntas que eran realmente impensables hace 20 años”.

A pesar de los inmensos desafíos, la ciencia está avanzando, impulsada por la curiosidad y la necesidad de combatir enfermedades devastadoras. El camino hacia la comprensión completa del cerebro es largo, pero cada avance, por pequeño que parezca, nos acerca a desvelar los secretos de este órgano extraordinario.

Preguntas Frecuentes sobre el Misterio del Cerebro:

¿Cuántas neuronas tiene el cerebro humano?
Se estima que el cerebro humano tiene aproximadamente 86 mil millones de neuronas.

¿Qué son las sinapsis?
Las sinapsis son las conexiones especializadas a través de las cuales las neuronas se comunican entre sí.

¿Qué son los tipos celulares del cerebro?
Son las diferentes clases de células que componen el cerebro, incluyendo distintos tipos de neuronas y células glia, cada una con funciones y características únicas.

¿Cómo se comunican las neuronas?
Principalmente a través de sinapsis, utilizando moléculas de señalización llamadas neurotransmisores como GABA y glutamato, aunque existen otros mecanismos de comunicación menos comprendidos.

¿Por qué es difícil entender cómo cambia el cerebro en la enfermedad?
Las enfermedades neurológicas y psiquiátricas a menudo afectan tipos celulares específicos en lugar de todo el cerebro uniformemente, y aún no tenemos un catálogo completo de todos estos tipos celulares ni entendemos por qué algunos son más vulnerables que otros.

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