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Biotecnología

Las ocho grandes áreas de investigación para descifrar el cerebro

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Los genes, las conexiones neuronales, el desarrollo y los factores externos modulan el comportamiento de este misterioso órgano e influyen en posibles tratamientos y terapias. Del mismo modo, encontrar el impacto de factores externos y replicar su estructura y funcionamiento en un ordenador nos darían más pistas sobre él

  • por Hannah Thomasy | traducido por Ana Milutinovic
  • 21 Septiembre, 2021

No hay mayor misterio científico que el cerebro. Está hecho principalmente de agua y el resto es, sobre todo, grasa. Sin embargo, esta pequeña masa de materia de aproximadamente 1,4 kilos produce nuestros pensamientos, recuerdos y emociones. Decide cómo interactuamos con el mundo y dirige nuestro cuerpo. Los científicos han empezado a desentrañar cada vez más las complejidades de cómo funciona este órgano y a comprender cómo las 86.000 millones de neuronas del cerebro humano forman las conexiones que crean las ideas y los sentimientos, así como la capacidad de comunicarse y reaccionar. Presentamos un breve recorrido por algunas de las investigaciones más innovadoras y por qué son tan importantes.

1. El origen de los pensamientos y los comportamientos

Qué es:

Los neurocientíficos cognitivos y conductuales estudian cómo las proteínas, los genes y las estructuras de nuestro cerebro dan lugar a conductas y procesos mentales. ¿Cómo aprende el cerebro y recuerda cosas? ¿Cómo toma las decisiones? ¿Cómo procesa y responde al mundo?

Por qué es importante:

Comprender cómo funciona la memoria puede ayudarnos a tratar el alzhéimer; entender la búsqueda de recompensas ayudaría a abordar la adicción; saber más sobre las emociones proporcionará nuevas pistas sobre cómo prevenir la depresión.

La vanguardia:

La neurocientífica del Hospital for Sick Children de Toronto (Canadá) Sheena Josselyn estudia cómo y dónde el cerebro almacena los recuerdos. Cree que identificar los circuitos neuronales (grupos interconectados de neuronas) responsables de almacenar recuerdos específicos podría ser clave para tratar trastornos de memoria, porque simplemente darle a alguien un fármaco que afecte a todo el cerebro no es lo óptimo.

Josselyn detalla: "No podemos tratar el cerebro como un plato de sopa; si añadimos un poco de orégano, todo saldrá mejor. Tenemos que entender exactamente dónde queremos abordar las cosas". Para crear tratamientos dirigidos con mayor precisión, quiere comprender mejor las neuronas y los circuitos neuronales importantes "para formar y albergar un recuerdo y recuperarlo".

Recientemente, su laboratorio identificó una nueva vía para recuperar recuerdos más antiguos que va desde el hipocampo, la región del cerebro que controla el aprendizaje y la memoria, hasta el tálamo, que actúa como una especie de estación de retransmisión de información sensorial en el cerebro. Cuando los investigadores desactivaron esta vía en ratones, los animales pudieron recordar una experiencia del día anterior, pero no las del mes pasado.

La  profesora de neurociencia en el Instituto Salk Kay Tye estudia las vías neuronales involucradas en el aprendizaje y en las emociones, como la soledad, para arrojar más luz sobre el abuso de sustancias y la ansiedad. El laboratorio de Tye ha identificado una vía neuronal que ayuda a controlar el comportamiento cuando las indicaciones simultáneas señalan resultados positivos y negativos.

La próxima frontera:

Si comprendemos mejor las regiones, las vías y los neurotransmisores del cerebro que influyen en la memoria, la ansiedad y el miedo, y cómo se pueden alterar, podríamos desarrollar estrategias más precisas para tratar las enfermedades.

2. Está en los genes

Qué es:

El campo de la neurogenética explora cómo los genes afectan la estructura y la función del sistema nervioso.

Por qué es importante:

Si logramos identificar el papel de los genes, podríamos diagnosticar trastornos cerebrales con mayor precisión y exactitud, o incluso intervenir para detener su progreso.

La vanguardia:

El director de neurobiología genómica del Centro Stanley para la Investigación Psiquiátrica del Broad Institute, Steven McCarroll, estudia los genes relacionados con la esquizofrenia. Ha identificado variantes en un gen asociado con este trastorno que generaron más cantidad de una proteína involucrada en marcar sinapsis (las conexiones entre neuronas) para su eliminación.

Cuando McCarroll y sus colegas aumentaron la expresión de este gen en ratones, estos animales terminaron con menos sinapsis. Su memoria funcional se vio afectada y su comportamiento social cambió. Los investigadores creen que estas variaciones genéticas pueden estar relacionadas con las pérdidas de sinapsis y con los cambios de conducta observados en las personas con esquizofrenia.

El profesor de neurología de la Universidad de California en San Francisco (EE. UU.) Ying-Hui Fu ha identificado tres mutaciones genéticas diferentes que reducen la cantidad de sueño que las personas necesitan. Una incluso protege contra los problemas de memoria normalmente asociados con la falta de sueño.

Otros investigadores están buscando genes que mantengan a las personas relativamente saludables, incluso cuando portan otros que las ponen en riesgo de padecer alzhéimer precoz.

La próxima frontera:

Al identificar cómo los genes contribuyen a las enfermedades, los científicos pueden desarrollar tratamientos, quizás con medicamentos para bloquear la acción de alguna proteína producida por algún gen que causa una enfermedad o para imitar las acciones de algún otro gen protector. También se están explorando terapias genéticas para eliminar los genes dañinos. Este tipo de tratamiento para la enfermedad neurológica esclerosis lateral amiotrófica (ELA) ha sido aprobado para ensayos en EE. UU. y ya se está llevando a cabo un ensayo de terapia génica para la enfermedad de Huntington.

3. Ingeniería para el cerebro

Qué es:

Los neuroingenieros buscan formas de conectar el sistema nervioso, incluido el cerebro, a las máquinas. Los dispositivos experimentales pueden traducir la actividad neuronal en texto o provocar que se mueva una extremidad artificial; algunos convierten la información de sensores artificiales en estimulación nerviosa que el cerebro puede comprender.

Por qué es importante:

La tecnología actual puede ayudar a recuperar la capacidad de comunicarse, tener sensaciones y moverse en algunas personas paralíticas o en las que han sufrido amputaciones. Los implantes que estimulan el cerebro también pueden ofrecer nuevas formas de tratar la epilepsiael dolor crónico y la ceguera.

La vanguardia: 

Los neuroingenieros de la Universidad de Stanford (EE. UU.) miden la actividad cerebral para recuperar los movimientos en las personas paralíticas. Recientemente los investigadores implantaron dos conjuntos de pequeños electrodos en un hombre tetrapléjico, en una parte del cerebro responsable del movimiento de la mano. Mientras el hombre se imaginaba escribiendo letras, los científicos utilizaron el aprendizaje automático para traducir su actividad cerebral en letras en una pantalla. Con este sistema, pudo escribir 90 letras por minuto, más del doble del registro de la actividad cerebral anterior.

En el futuro, estos dispositivos podrían mejorar la cognición, permitirnos la comunicación entre cerebros o crear experiencias de realidad virtual muy realistas que incorporen todos nuestros sentidos.

Otros neuroingenieros trabajan en prótesis capaces de transmitir la información sensorial al usuario.  El neuroingeniero de la Universidad Johns Hopkins (EE. UU.) Luke Osborn estudia formas de transmitir diferentes tipos de sensaciones a personas que se han sometido a amputaciones, estimulando los nervios de la extremidad por encima del lugar de la amputación. Hasta ahora, los dispositivos lograron transmitir sensaciones de presión e incluso de dolor leve. Las sensaciones de dolor son una fuente de información fundamental, según Osborn, que nos indica cuándo podríamos estar haciendo algo peligroso.

La próxima frontera:

Los dispositivos que conectan los cerebros y los ordenadores se podrían usar no solo para recuperar las funciones perdidas, sino también para mejorar las capacidades de nuestro cerebro. En el futuro, estos dispositivos podrían desarrollar la cognición, permitirnos la comunicación entre cerebros o crear experiencias de realidad virtual muy realistas que incorporen todos nuestros sentidos.

4. Desarrollar un cerebro

Qué es:

La neurociencia del desarrollo explora cómo la estructura y la función del cerebro cambian con el tiempo a medida que madura el organismo. ¿Cómo las neuronas individuales encuentran su camino hacia el lugar adecuado en el cerebro?

Por qué es importante:

Comprender el desarrollo del cerebro, y las causas de su mal funcionamiento, podría ayudarnos a abordar trastornos como la microcefalia, el autismo y el TDAH. Y si sabemos cómo los acontecimientos previos al nacimiento y durante la niñez afectan la estructura y la función del cerebro en desarrollo, estaremos en mejores condiciones de brindar a los niños las mayores posibilidades para un desarrollo saludable.

La vanguardia:

La investigadora del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica de Reino Unido Madeline Lancaster estudia el desarrollo del cerebro mediante organoides, grupos de células tridimensionales derivadas de células madre humanas que se autoorganizan en un órgano en miniatura, simplificado, pero aún parecido al cerebro. Para modelar con mayor precisión el cerebro humano, Lancaster crea organoides que viven más tiempo e imitan diferentes tipos de estructuras cerebrales. 

Con este enfoque, ha descubierto que la proteína ZEB2 es fundamental para regular la notable expansión del desarrollo que hace que los cerebros humanos sean mucho más grandes que los cerebros de los simios. Comprender los procesos que determinan el tamaño del cerebro podría ayudarnos a entender mejor las causas de la microcefalia y de otros trastornos en los que el cerebro fetal no se desarrolla adecuadamente.

El desarrollo del cerebro que ocurre después del nacimiento también es importante.  La profesora del MIT Rebecca Saxe estudia las estructuras y las actividades cerebrales responsables de la cognición social, lo que nos permite evaluar los estados mentales de otras personas.

Saxe ha descubierto una región cerebral particular que resulta clave; al estudiar cómo cambia su actividad en ella y en otras a lo largo de la niñez, quizás pueda comprender cómo se desarrollan las habilidades sociales. También ha encontrado que estos patrones de actividad cerebral se alteran en personas con trastornos del espectro autista.

La próxima frontera:

Aunque los investigadores empiezan a comprender algunos de los procesos que gobiernan el desarrollo y han identificado cosas que pueden descarrilarlo, estamos lejos de poder intervenir cuando ocurren tales problemas. Pero, a medida que vayamos adquiriendo conocimientos, algún día podríamos probar terapias u otras formas de abordar estos problemas de desarrollo.

5. Ordenadores que imitan el cerebro

Qué es:

Los neurocientíficos computacionales utilizan modelos matemáticos para comprender mejor cómo las redes de células cerebrales nos ayudan a interpretar lo que vemos y oímos, integrar nueva información, crear y almacenar recuerdos y tomar decisiones.

Por qué es importante:

Comprender cómo la actividad de las neuronas gobierna la cognición y el comportamiento podría mejorar la memoria o el conocimiento sobre los procesos de las enfermedades.

La vanguardia:

El neurobiólogo computacional del Instituto Salk Terry Sejnowski ha construido un modelo informático de la corteza prefrontal y analizó su desempeño en una tarea en la que una persona (o máquina) tiene que clasificar las cartas de acuerdo a una regla que siempre cambia. Si bien los seres humanos son excelentes para adaptarse, las máquinas generalmente tienen problemas en lograrlo. Pero el ordenador de Sejnowski, que imita los patrones de flujo de información observados en el cerebro, realizó bien la tarea. Esta investigación podría ayudar a las máquinas a "pensar" más como los seres humanos y adaptarse con mayor rapidez a las nuevas condiciones.

La directora del MIT-IBM Watson AI Lab, Aude Oliva, utiliza herramientas computacionales para modelar y predecir cómo los cerebros perciben y recuerdan la información visual. Su investigación muestra que diferentes imágenes dan como resultado ciertos patrones de actividad tanto en la corteza del mono como en los modelos de las redes neuronales, y que estos patrones predicen lo memorable que será una determinada imagen.

La próxima frontera:

Las investigaciones como la de Sejnowski pueden inspirar la creación de máquinas "más inteligentes", pero también podrían ayudarnos a comprender los trastornos en los que se altera la función de la corteza prefrontal, como la esquizofrenia, la demencia y los efectos del traumatismo craneoencefálico.

6. ¿Por qué degeneran las cosas?

Qué es:

Los investigadores tratan de determinar los factores genéticos y ambientales de riesgo de las enfermedades neurodegenerativas, así como los mecanismos subyacentes de las enfermedades.

la mente se desmorona

Por qué es importante:

Mejorar la prevención, la detección temprana y el tratamiento de enfermedades como el alzhéimer, el párkinson, el la enfermedad de Huntington, la encefalopatía traumática crónica y la ELA beneficiaría a millones de personas en todo el mundo.

La vanguardia:

La especialista del Hospital General de Massachusetts (EE. UU.) Yakeel Quiroz estudia los cambios en la estructura y en la función del cerebro que ocurren antes de la aparición de los síntomas de la enfermedad de Alzheimer. Busca los biomarcadores que se puedan usar para la detección temprana de la enfermedad e intenta identificar posibles objetivos terapéuticos. Un posible biomarcador de la enfermedad de Alzheimer de tipo precoz que ha encontrado, la proteína NfL, aumenta en la sangre más de dos décadas antes de que aparezcan los síntomas. Quiroz también ha identificado a una mujer con una mutación genética protectora que le impidió desarrollar los deterioros cognitivos y la degeneración cerebral a pesar de que su cerebro mostraba altos niveles de amiloide, la proteína implicada en el desarrollo del alzhéimer. El estudio de los efectos de esta mutación beneficiosa podría conducir a nuevas terapias.

Los investigadores de la iniciativa de Detección Temprana de Enfermedades Neurodegenerativas en Reino Unido analizan si los datos digitales recopilados por teléfonos inteligentes o dispositivos portátiles podrían dar advertencias tempranas de enfermedades antes de que se desarrollen los síntomas. Uno de los proyectos de la iniciativa, en asociación con la Universidad de Boston (EE. UU.), recogerá datos mediante varias apps, siguiendo la actividad y el sueño en personas con y sin demencia para identificar posibles firmas digitales de la enfermedad.

La próxima frontera:

A medida que aprendemos más sobre las causas subyacentes de las enfermedades neurodegenerativas, los investigadores intentan traducir este conocimiento en tratamientos efectivos. Actualmente se están llevando a cabo ensayos clínicos avanzados sobre los mecanismos de la enfermedad recién encontrados para muchos trastornos neurodegenerativos, incluidos el alzhéimer, el párkinson y la ELA.

7. Todo está conectado

Qué es:

Los investigadores de conectómica mapean y analizan las conexiones neuronales, creando un diagrama de cableado para el cerebro.

Por qué es importante:

Comprender estas conexiones arrojará más luz sobre cómo funciona el cerebro. Muchos proyectos están explorando cómo se alteran las conexiones a macroescala durante el desarrollo, el envejecimiento o la enfermedad.

La vanguardia:

Trazar un mapa de estas conexiones no es fácil: puede haber hasta 100 billones de conexiones en el cerebro humano, y todas son pequeñas. Los investigadores deben encontrar las mejores formas de marcar algunas neuronas específicas y rastrear las conexiones que tienen con otras neuronas en partes remotas del cerebro, ajustar la tecnología para recopilar estas imágenes y decidir cómo analizar los montones de datos que genera este proceso.

Una colaboración que incluyó al científico informático de Google Viren Jain y al neurocientífico de la Universidad de Harvard (EE. UU.) Jeff Lichtman recientemente completó el mapa más detallado de una sección del cerebro humano de la historia. Con imágenes de un milímetro cúbico de cerebro a nivel de nanoescala, mapearon 50.000 células y más de 130 millones de sinapsis, lo que resultó en 1,4 petabytes de datos. Anteriormente, Lichtman había ayudado a desarrollar la técnica Brainbow, que permite marcar con colores las neuronas individuales en animales vivos, lo que facilita a los científicos rastrear las conexiones neuronales.

El neurocientífico computacional de la Universidad de Princeton (EE. UU.) Sebastian Seung fue pionero en una técnica que utiliza crowdsourcing y aprendizaje automático para convertir imágenes sin procesar en mapas neuronales tridimensionales, con sinapsis identificadas y tipos de células clasificados. En el primer proyecto, llamado EyeWire, los ciudadanos ayudaron a mapear las neuronas en la retina. El proyecto actual, FlyWire, es un esfuerzo ambicioso para mapear las conexiones neuronales en todo el cerebro de una mosca de la fruta.

El Instituto Allen de Seattle (EE. UU.), muy importante en la investigación de la conectividad cerebral, pone sus mapas cerebrales a disposición de todos. Su atlas de conectividad del cerebro de ratón incluye mapas específicos de tipo celular de conexiones entre el tálamo (la estación de relevo sensorial y motora) y la corteza.

La próxima frontera:

Mapear las conexiones neuronales individuales en el cerebro humano no es una tarea fácil. También hay variaciones entre individuos y dentro de cada uno de nosotros. Es probable que las conexiones cambien a medida que nuestro cerebro se desarrolla, aprende y envejece. La creación de mapas cerebrales individuales a microescala para todos probablemente nos proporcionaría un nivel de conocimiento sin precedentes, pero por ahora es un sueño lejano.

8. Salud mental

Qué es:

Por qué y cómo se desarrollan las enfermedades psiquiátricas y los trastornos cerebrales sigue siendo en gran parte un misterio. Los neurocientíficos utilizan neuroimágenes, genética, bioquímica, aprendizaje automático, estudios de comportamiento y mucho más para comprender las causas moleculares y ambientales.

concepto de salud mental

Por qué es importante:

Las enfermedades mentales son una de las principales causas de discapacidad en todo el mundo. Alrededor de 264 millones de personas padecen depresión, 45 millones sufren el trastorno bipolar y 20 millones, esquizofrenia.

La vanguardia:

El neurocientífico del MIT Satrajit Ghosh utiliza patrones del habla y neuroimágenes para mejorar las evaluaciones de salud mental en personas. A corto plazo, Ghosh espera mejorar el diagnóstico, y ya hay alguna evidencia de que puede ayudar a predecir qué pacientes responderán a qué terapias. Pero en el futuro, afirma: "Queremos poder medir algo, predecir algún estado futuro y... ajustar el comportamiento sobre la marcha para que nunca llegue a ese estado".

Las terapias que utilizan la estimulación cerebral ofrecen nuevas opciones de tratamiento para el trastorno obsesivo compulsivo (TOC). La estimulación cerebral profunda, en la que se implantan electrodos en el cerebro, ofrece un alivio sustancial para algunas personas cuyo TOC no responde a otros tratamientos. Las formas menos invasivas de estimulación neural también han mostrado prometedores resultados iniciales. Solo cinco días de estimulación cerebral no invasiva redujeron los comportamientos obsesivo-compulsivos durante tres meses en personas que mostraban algunos síntomas de TOC.

Los investigadores están logrando avances en la comprensión y el tratamiento de los trastornos por uso de sustancias, identificando patrones de conectividad cerebral que aumentan o disminuyen el riesgo de desarrollar una adicción. Quizás algún día las vías neuronales que ayudan a las personas a resistir la adicción puedan reforzarse terapéuticamente.

Los fármacos que antes se clasificaban como drogas recreativas se están explorando para el tratamiento de enfermedades mentales. En 2019, la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. aprobó la esketamina para la depresión resistente al tratamiento, la primera vez en 30 años que se aprobó un fármaco con un nuevo mecanismo de acción para la afección. Más recientemente, un ensayo clínico en fase 3 mostró que las personas con trastorno de estrés postraumático que habían recibido MDMA (también conocido como éxtasis), junto con terapia tradicional mejoraron sustancialmente en comparación con las que solo habían pasado la terapia. La psilocibina, el componente activo de los hongos alucinógenos, se encuentra en los ensayos clínicos para el tratamiento de la depresión, el trastorno por consumo de alcohol, el TOC, la anorexia y más. 

La próxima frontera:

Algún día, las personas con trastornos cerebrales podrán ser evaluadas y tratadas según su genética, junto con los biomarcadores y escáneres de actividad cerebral.

Los investigadores están explorando cómo la genética podría orientar las opciones de tratamiento para pacientes con depresión, cómo la conectividad en algunas regiones del cerebro como la amígdala podría conducir a una comprensión más personalizada de los trastornos relacionados con el miedo y la ansiedad, y cómo los biomarcadores sanguíneos podrían seguir la respuesta al tratamiento de la depresión y del trastorno bipolar.

Biotecnología

Nuevas tecnologías y conocimientos biológicos empiezan a ofrecer opciones sin precedentes para mejorar nuestra salud.

  1. Este proceso reciclaje enzimático podría revolucionar el uso del PET

    La planta de demostración de la 'start-up' francesa Carbios puede descomponer el equivalente a 100.000 botellas molidas en entre 10 y 16 horas. Aunque el coste del subproducto es el doble de caro que el PET virgen, las empresas podrían estar dispuestas a pagarlo para reducir sus emisiones de efecto invernadero

  2. Este implante cerebral da descargas ante síntomas de depresión

    Funciona hasta 300 veces al día, con una duración de seis segundos en cada ocasión. Estos dispositivos personalizados podrían ayudar a quienes han agotado las demás opciones de tratamiento. Los científicos esperan que en el futuro no haga falta cirugía para la estimulación del cerebro

  3. "Las dosis de refuerzo no servirán de mucho ante grupos de no vacunados"

    Siguiendo la estela de otros países, EE.UU. acaba de aprobar la tercera inyección para algunos grupos de ciudadanos. Según la profesora e investigadora Anita Ho, esto no resuelve el problema con la población que aún no se ha vacunado, y alerta que habría que ayudar en la inoculación a las naciones con menos recursos