Theodore Berger, ingeniero biomédico y neurocientífico de la Universidad del Sur de Califo ia (USC) en Los Angeles (EE.UU.), imagina un día en un futuro no muy lejano en el que los implantes electrónicos puedan ayudar a los pacientes con pérdida grave de memoria.
En aquellas personas cuyos cerebros han sufrido daños por la enfermedad de Alzheimer, un derrame cerebral o una lesión, las interrupción de las redes neuronales a menudo impide la formación de recuerdos a largo plazo. Durante más de dos décadas Berger ha diseñado chips de silicio para imitar el procesamiento de señales que las neuronas realizan cuando funcionan correctamente, algo que nos permite recordar experiencias y conocimiento 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 está tan alejada de la corriente principal de la neurociencia que muchos de sus colegas, señala Berger, creen que está prácticamente loco. "Hace mucho tiempo ya me dijeron que estaba loco", asegura con una sonrisa, sentado en una sala de conferencias en uno de sus laboratorios. Sin embargo, dado el éxito de experimentos recientes llevados a cabo por su grupo y varios colaboradores cercanos, Berger se está deshaciendo de la fama de loco para pasar a interpretar el papel de pionero visionario.
Berger y sus socios de investigación aún no han realizado pruebas en humanos de sus prótesis neuronales, pero sus experimentos muestran cómo un chip de silicio conectado exte amente a cerebros de ratas y monos por medio de electrodos puede procesar la información igual que lo hacen las neuronas reales. "No estamos devolviendo recuerdos individuales al cerebro", señala. "Estamos creando la capacidad de generar recuerdos". En un experimento impresionante publicado el pasado otoño, Berger y sus colaboradores demostraron que también pudieron ayudar a un grupo de monos a recuperar recuerdos a largo plazo de una parte del cerebro que los almacena.
Un implante de memoria puede sonar como algo inverosímil, pero Berger señala otros éxitos recientes dentro de las neuroprótesis. Los implantes cocleares ayudan hoy día a más de 200.000 personas sordas a oír al convertir el sonido en señales eléctricas que se envían al nervio auditivo. Mientras tanto, una serie de experimentos iniciales han demostrado que la implantación de electrodos puede permitir a personas paralizadas mover brazos robóticos con sus pensamientos. Otros investigadores han conseguido éxitos preliminares con retinas artificiales en personas ciegas.
Sin embargo, la restauración de un tipo de 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 conocida por estar involucrada en la formación de la memoria. "Está muy claro", asegura. "El hipocampo convierte los recuerdos a corto plazo en recuerdos a largo plazo".
Lo que está menos claro es cómo logra el hipocampo realizar esta complicada hazaña. Berger ha desarrollado teoremas matemáticos que describen el modo en que las señales eléctricas se mueven a través de las neuronas del hipocampo para formar un recuerdo a largo plazo, y ha demostrado que sus ecuaciones coinciden con la realidad. "No tienes que hacer todo lo que hace el cerebro, ¿pero puedes al menos imitar algunas de las cosas que hace un cerebro real?", se pregunta. "¿Lo puedes modelar y ponerlo en un dispositivo? ¿Puedes conseguir que ese dispositivo funcione en cualquier cerebro? Esas tres cosas son las que hacen que la gente piense que estoy loco. Creen que es demasiado difícil".
Descifrando el código
Berger habla a menudo con frases que se extienden hasta el punto de llegar a ser párrafos, usa muchos apartes, notas al pie y se desvía completamente del tema en cuestión. Le pido que defina la memoria. "Es una serie de impulsos eléctricos a través del tiempo que se generan por un número determinado de neuronas", señala. "Resulta importante porque puedes reducir [el concepto] a esa definición y ponerlo en un contexto. No solo puedes entenderlo en términos de eventos biológicos que hayan sucedido, sino que significa que es tangible, puedes hacer algo con ello, puedes poner un electrodo y grabar algo que coincida con la definición de un recuerdo. Puedes encontrar las 2.147 neuronas que forman parte de este recuerdo. ¿Y qué es lo que generan? Generan una serie de pulsos. No es extraño. Es algo que puedes manejar. Es útil. Es lo que sucede".
Esta es la visión convencional de la memoria, pero se queda en la superficie. Muchos colegas dedicados a indagar sobre este misterioso reino del cerebro no han tratado de ir mucho más allá, lo que contribuye a la frustración perpetua de Berger. Los neurocientíficos rastrean las señales eléctricas en el cerebro mediante el control de los potenciales de acción, cambios a escala de microvoltios en la superficie de las neuronas. Pero con demasiada frecuencia, señala Berger, sus informes simplifican lo que realmente está ocurriendo. "Encuentran un acontecimiento importante en el ento o y cuentan los potenciales de acción", asegura. "Afirman: 'Ha subido de 1 a 200 después de haber hecho algo. Estoy encontrando algo interesante'. ¿Qué estás encontrando? 'La actividad ha subido'. ¿Pero qué estás encontrando? 'La actividad ha subido'. ¿Y qué? ¿Está codificando algo? ¿Representa algo que le importe a la siguiente neurona? ¿Provoca que la siguiente neurona haga algo diferente? Eso es lo que se supone que debemos hacer: explicar las cosas, no solo describirlas".
Si una neurona se activa en un momento y lugar específico, ¿qué hacen exactamente las neuronas vecinas en respuesta?
Berger toma un marcador y llena una pizarra de arriba abajo con una línea de círculos que representan las neuronas. Al lado de cada una, dibuja una línea horizontal con un patrón diferente de repuntes. "Esto eres tú en mi cerebro", afirma. "Mi hipocampo ya ha formado un recuerdo a largo plazo de ti. Te recordaré la próxima semana. Pero, ¿cómo puedo distinguirte de la siguiente persona? Digamos que hay 500.000 células en el hipocampo que te representan, y cada célula codifica muchas cosas, como por ejemplo la relación entre tu nariz y la ceja, lo codifican todo con diferentes patrones. Así que la realidad del sistema nervioso es muy complicada, por lo que todavía estamos haciéndonos estas preguntas tan básicas y limitadas acerca de él".
Theodore Berger ha pasado su carrera tratando de entender cómo forman los recuerdos en las neuronas.
En la escuela de posgrado en Harvard, el mentor de Berger fue Richard Thompson, que estudió los cambios localizados e inductores del aprendizaje en el cerebro. Thompson utilizó un tono y una bocanada de aire para condicionar a conejos a parpadear los ojos, con el objetivo de determinar el lugar donde se almacenaba el recuerdo inducido. La idea era encontrar un lugar específico en el cerebro donde se localizara el aprendizaje, señala Berger: "Si el animal aprendía y lo quitabas, el animal era incapaz de recordar".
Thompson, con la ayuda de Berger, logró hacer precisamente eso, y publicaron los resultados en 1976. Para encontrar la localización en los conejos, pusieron electrodos en los cerebros de los animales capaces de analizar la actividad de una neurona. Las neuronas tienen puertas 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 a medida que los conejos desarrollaban el recuerdo. Tanto la amplitud de los picos (que representa el potencial de acción) y su espaciamiento formaron patrones. No puede ser un accidente, pensó Berger, que las células se activen de una manera que forme patrones con respecto al tiempo.
Esto le condujo a la cuestión central que subyace en su trabajo actual: a medida que 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 las neuronas utilizan para formar un recuerdo a largo plazo.
Pero pronto quedó claro que la respuesta es sumamente compleja. A finales de los años 80, 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 (la entrada) y registraron cómo las señales se movían a través de diferentes poblaciones de neuronas (la salida), la relación que observaron entre las dos no era lineal. "Digamos que pones 1 y obtienes 2", afirma Berger. "Eso resulta bastante fácil. Es una relación lineal". Sin embargo, resulta que "en esencia no hay ninguna condición en el cerebro donde se obtenga actividad lineal, una suma lineal", señala. "Siempre es no lineal". Las señales se superponen, y algunas suprimen un impulso de entrada y otras lo acentúan.
A principios de la década de los 90, su entendimiento (y el hardware informático) habían avanzado hasta el punto de que permitirle trabajar con sus colegas en el departamento de ingeniería de la Universidad del Sur de Califo ia para crear chips de ordenador que simularan el procesamiento de señal realizado en algunas partes del hipocampo. "Se hizo evidente que si pudiera conseguir que esto funcionara en grandes cantidades en hardware, conseguiríamos partes del cerebro", afirma. "¿Por qué no conecta os con lo que existe en el cerebro? Así que me puse a pensar seriamente en las prótesis mucho antes de nadie las considerara".
Un implante en el cerebro
Berger comenzó a trabajar con Vasilis Marmarelis, ingeniero biomédico de la USC, para empezar a fabricar una prótesis cerebral. Primero trabajaron con cortes de hipocampo de ratas. Partiendo del conocimiento de que las señales neuronales se mueven de un extremo del hipocampo al otro, los investigadores enviaron pulsos aleatorios en el hipocampo, registraron las señales en varios lugares para ver la forma en que se transformaban, y después derivaron las ecuaciones matemáticas que describían las transformaciones. Implementaron esas ecuaciones en chips de ordenador.
A continuación, para evaluar si tal chip podría servir como prótesis para una región del hipocampo dañada, los investigadores investigaron si podían circunvalar un componente central de la vía en los cortes de cerebro. Unos electrodos colocados en la región envió impulsos eléctricos a un chip exte o, el cual llevó a cabo las transformaciones que normalmente se realizan en el hipocampo. Otros electrodos enviaron de vuelta las señales al corte de cerebro.
"Nunca pensé ver esto en humanos, y hoy día nuestras conversaciones son acerca de cuándo y cómo hacerlo. Nunca pensé que viviría para verlo".
A continuación, los investigadores dieron un paso adelante y lo probaron en ratas vivas, mostrando que un ordenador podía, de hecho, servir como componente artificial del hipocampo. Empezaron entrenando a los animales para empujar una entre dos palancas y recibir un regalo, grabando la serie de pulsos en el hipocampo cuando elegían la correcta. Utilizando estos datos, Berger y su equipo modelaron la forma en que las señales se transformaban a medida que la lección se convertía en un recuerdo a largo plazo, y capturaron el código que creían representaba el recuerdo mismamente. Demostraron que su dispositivo podía generar este código de recuerdo a largo plazo a partir de señales de entrada registradas en el cerebro de ratas, mientras aprendían la tarea. Después dieron a las ratas un fármaco que interfería con su capacidad de formar recuerdos a largo plazo, haciendo que olvidaran qué palanca les daba el regalo. Cuando los investigadores enviaron a los cerebros de las ratas drogadas el código, los animales fueron de nuevo capaces de elegir la palanca correcta.
El año pasado, los científicos publicaron experimentos con primates realizados en la corteza prefrontal, una parte del cerebro que recupera los recuerdos a largo plazo creados por el hipocampo. Colocaron electrodos en los cerebros de monos para capturar el código formado en la corteza prefrontal que creían que permitía a los animales recordar una imagen que se les había mostrado antes. Después drogaron a los monos con cocaína, la cual perjudica esa parte del cerebro. Mediante el uso de 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.
En los próximos dos años, Berger y sus colegas esperan implantar una prótesis de memoria real en animales. También quieren demostrar que sus chips de hipocampo pueden formar recuerdos a largo plazo en muchas situaciones de comportamiento distintas. Estos chips, después de todo, se basan en ecuaciones matemáticas derivadas de los propios experimentos de los investigadores. Lo que podría ocurrir es que los investigadores hayan estado simplemente descifrando códigos asociados a tareas específicas. ¿Qué pasa si esos códigos no son generalizables, y las distintas entradas se procesan de maneras diferentes? En otras palabras, es posible que no hayan descifrado el código sino simplemente algunos mensajes sencillos.
Berger acepta que este podría ser el caso, y sus chips quizá formen recuerdos a largo plazo en un número limitado de situaciones. Sin embargo, señala que la morfología y la biofísica del cerebro limitan lo que puede hacer: en la práctica, hay un número limitado de formas en que las señales eléctricas en el hipocampo pueden ser transformadas. "Creo que vamos a encontrar un modelo bastante bueno para un gran número de condiciones, y tal vez para la mayoría de condiciones", afirma. "El objetivo es mejorar la calidad de vida de alguien que tenga un déficit de memoria grave. Si puedo darles la capacidad de formar nuevos recuerdos a largo plazo en la mitad de las condiciones en que la mayoría de las personas viven, seré tremendamente feliz, y lo mismo ocurrirá con la mayoría de los pacientes".
A pesar de las incertidumbres, Berger y sus colegas están planeando estudios en humanos. Está colaborando con médicos de su universidad dedicados a probar el uso de electrodos implantados en cada lado del hipocampo para detectar y prevenir las convulsiones en pacientes con epilepsia grave. Si el proyecto avanza según lo previsto, el grupo de Berger aprovechará las pruebas para buscar códigos de memoria en los cerebros de esos pacientes.
"Nunca pensé ver esto en humanos, y hoy día nuestras conversaciones son acerca de cuándo y cómo hacerlo", señala. "Nunca pensé que viviría para ver este día, pero ahora creo que sí lo veré".