Hace varios años, Kording, un científico de datos de la Universidad de Northweste (EEUU) especializado en la neurociencia, decidió estudiar cuántas neuronas se habían llegado a registrar de forma simultánea del cerebro de un animal vivo. Grabar el intercambio eléctrico de las neuronas es algo que se volverá cada vez más necesario si aspiramos a llegar a entender la consciencia o desarrollar maneras de restaurar el movimiento de los paralíticos.
El resultado fue un artículo publicado en Nature Neuroscience en 2011 que describía la "ley de Stevenson", bautizada en honor al alumno de postgrado y autor principal, Ian Stevenson. Parecida a la ley de Moore, que predice que la potencia computacional se duplica cada dos años, la ley de Stevenson también demostró un crecimiento exponencial del número de neuronas que los científicos han podido grabar de forma simultánea. Pero, mientras todos se sienten "felices e impresionados por la ley de Moore", Kording afirma que "toda la comunidad de la neurociencia quiere ver morir la ley de Stevenson".
Foto: Una imagen microscópica de sensores de calcio (verde), los núcleos de neuronas (rojo) y otras células llamadas astrocitas.
El motivo es que cada uno de nosotros tiene casi 80.000 millones de neuronas en el cerebro. Pero lo que los datos demostraron fue que desde la década de 1920, cuando los científicos escucharon por primera vez los picos eléctricos de una neurona, sólo han duplicado esta cifra una vez cada siete años, hasta alcanzar unas 500 neuronas. A este ritmo, Kording musita: "Estaremos todos muertos antes de poder grabar ni siquiera la parte de un cerebro de ratón. O sea que fatal."
La semana pasada, docenas de neurocientíficos se dirigieron a Arlington (EEUU) para analizar cómo podrían romper la ley de Stevenson. El evento pretende definir los requisitos de un nuevo programa del Departamento de Defensa estadounidense llamado "Neural Engineering System Design" (Diseño de Sistemas de Ingeniería Neuronal) que destinará 60 millones de dólares (unos 54 millones de euros) como parte de la iniciativa BRAIN del presidente Obama. El objetivo: desarrollar tecnologías capaces de grabar un millón de neuronas de forma simultánea en tan sólo cuatro años.
Pero ese es sólo el principio. DARPA, la agencia que administra el programa, también quiere un dispositivo que pueda simular al menos 100.000 neuronas cerebrales. Deberá ser inalámbrico, y cualquier componente electrónico tendrá que caber en el espacio equivalente a una moneda de cinco céntimos. Por último, los investigadores han de cumplir con los requisitos de seguridad para poder realizar ensayos en humanos, algo que requiere una "exención para dispositivos de investigación" de la Agencia de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA, por sus siglas en inglés).
El profesor de física y bioingeniería del Instituto de Tecnología de Califo ia (Caltech, EEUU) Michael Roukes cree que el calendario es"extremadamente agresivo". La tendencia de la agencia de fijar objetivos ambiciosos que no siempre son alcanzados es conocida coloquialmente como "la locura DARPA".
"Pero, entiendo este modelo", afirma. "Por qué no buscar la aguja en el pajar, ¿verdad?"
El objetivo del proyecto no sorprende a Roukes. El objetivo declarado de la iniciativa BRAIN (ver La importancia del proyecto de mapeo del cerebro impulsado por Obama) es desarrollar maneras de leer datos procedentes de - y enviar a - los conjuntos de células cerebrales a gran escala que componen los circuitos del cerebro que trabajan juntos para permitir que percibamos e interactuemos con el mundo. Para ello, está claro que el hardware de la neurociencia necesita una importante actualización.
"Lo más importante es desarrollar una tecnología que abarque un circuito neuronal al completo, por ejemplo el de un pequeño animal o un trozo de la corteza de un ratón o humano, y grabar cada neurona individual", explica el neurocientífico de la Universidad de Nueva York (EEUU) Rafael Yuste. El experto explica que la mayoría de los científicos aún utilizan grabaciones para las que "la gente coloca electrodos y graba la actividad de una neurona en un animal o un paciente. Imagínate que intentas analizar a una orquesta [al escuchar lo que] toca un sólo instrumento".
Los récords actuales pertenecen a equipos que intentan desarrollar "interfaces cerebro-máquina" para personas que padecen una parálisis, una tecnología que también interesa a DARPA. Unos equipos de la Universidad de Brown y la Universidad de Filadelfia (ambos en EEUU), entre otros lugares, han logrado emplear conjuntos de afiladas agujas de silicio para grabar entre 200 y 300 neuronas de forma simultánea dentro de los cerebros de unos voluntarios. Es lo suficiente para "leer" aproximadamente los movimientos de brazo y mano que tiene pensado realizar una persona, y utilizar la señal para mover un brazo robótico (ver Experimentar con los pensamientos) o manejar una silla de ruedas.
Foto: El gráfico, en el que cada punto representa un trabajo publicado, muestra el número de neuronas grabadas simultáneamente del cerebro de cualquier animal. Crédito: Ian H. Stevenson, Universidad de Connecticut
"Ves hoy en día brazos robóticos que son desplazados", dice el experto en las interfaces cerebro-ordenador del Centro Wadsworth del Departamento de Sanidad de Nueva York Jonathan Wolpaw. "Pero no están haciendo nada que esté remotamente preparado para salir del laboratorio. No existe ninguna interfaz cerebro-máquina que quisieras utilizar ahora para controlar una silla de ruedas al borde de un precipicio o para conducir con tráfico intenso".
Un motivo por el que los neurocientíficos están seguros de que los conjuntos más grandes de neuronas contienen respuestas es que la neurona media se dispara como mucho varias veces por segundo. Pero su movimiento depende de ajustes que se realizan con una velocidad al menos 10 veces mayor. Eso significa que resulta imposible que cualquier neurona individual pueda contener la información necesaria para codificar la complejidad de un paso de baile o tocar el piano. "El movimiento se distribuye entre muchos millones de neuronas en varias zonas del cerebro", explica Kording. "Necesitamos al menos mil veces más neuronas para [lograr] un estelar dispositivo prostético, en mi opinión".
Una estrategia para llegar a la meta sería encoger el tamaño de los electrodos para que los bioingenieros puedan introducir una mayor cantidad de ellos en el cerebro de forma simultánea. Este es el enfoque que está utilizando un grupo de investigadores científicos de la Universidad de Duke (EEUU), según el destacado miembro del equipo, Mikhail A. Lebedev, que mantiene varios récords de grabación neuronal en monos, con la lectura de unas 500 neuronas, lo cual logró gracias a la laboriosa tarea de insertar muchos grupos de finos electrodos en el cerebro de un mono.
Otros creen que se necesitan enfoques completamente nuevos. En la Universidad de Califo ia en Berkeley (EEUU), unos investigadores están estudiando el "polvo neuronal" que consiste en unos sensores microscópicos flotantes que pueden desplazarse por el cerebro. También prometen unas técnicas ópticas. En 2013 el neurocientífico del Instituto Médico de Howard Hughe Misha Ahrens demostró que podía grabar las señales procedentes de 100.000 neuronas (esta cifra representa el cerebro de un pez cebra al completo) al modificarlas genéticamente para que brillen después de dispararse. Ahrens dice que observar tantas neuronas simultáneamente está generando algunas sorpresas. "Encuentras áreas que son pertinentes para comportamientos donde no buscarías de otra manera", afirma.
El logro de Ahrens no representa un progreso hacia la consecución del objetivo de DARPA, ni hacia la de romper la ley de Stevenson, porque su método no capta los picos eléctricos de las neuronas en tiempo real. Esto se debe a que las moléculas incandescentes son activadas por cambios en las concentraciones de calcio que se producen dentro de una célula sólo después de dispararse. Roukes, el científico de Caltech, dice que los investigadores ya están trabajando en el desarrollo de moléculas fluorescentes que responden directamente a cambios de voltaje.
Otro problema es que, a diferencia de un pez cebra, que es básicamente translúcido, el cerebro humano tiene una consistencia lechosa que resulta más opaca. Para lidiar con esto, según Roukes, se podrían introducir unas varillas ultrafinas de silicio por todo el cerebro. Cada varilla contendría el hardware necesario tanto para emitir luz como para detectarla en las células próximas, bordeando así el problema de la opacidad del cerebro. Si se emplearan suficientes varillas, se podría iluminar todo el cerebro, según los cálculos de Roukes.
Aunque las técnicas ópticas son prometedoras, la FDA podría ser reacia a la idea de permitir que los científicos modifiquen genéticamente los cerebros de los voluntarios para que brillen. Roukes dice que a consecuencia, su equipo tiene planes de presentarle a DARPA una propuesta más convencional que todavía se basa en electrodos tradicionales.
DARPA tiene motivos para insistir en que cualquier solución de grabación sea probada en humanos. La agencia espera que el objetivo atraiga el interés de empresas de dispositivos médicos además de fabricantes de semiconductores e instrumentos ópticos. Sin la participación de la industria, existen pocas posibilidades de mejorar las interfaces cerebro-máquina con tanta rápidez como los ordenadores.
"Al intentar llegar a la fase de ensayos en humanos, puede que esto dé paso a algunos elementos tecnológicos que no se han empleado en experimentos con modelos animales porque no había existido antes un impulso económico similar", sugiere Aam Marblestone, un neurocientífico del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, EEUU). Espera observar una "ingeniería realmente alucinante" que ha faltado en los experimentos académicos.