“No sabemos por qué el alzhéimer ataca primero a las células del espacio y el tiempo”

Buenos Aires-(Nomyc)-En el cerebro de los animales, existe una clase muy especial de células, que se parecen a las otras neuronas en casi todo ya que su función es muy específica y vital para la supervivencia del individuo y se llaman células “Grid” o células de red y funcionan como una especie de GPS, al  permitir mapear el espacio en el que se está moviendo el animal y también lo hacen con el tiempo.

Uno de sus descubridores, es el neurocientífico noruego Edvard Moser, que compartió premio Nobel de Medicina junto a su mujer May Britt Moser y al estadounidense John O'Keefe en 2014 e invitado por el CosmoCaixa de Barcelona para la conferencia “¿Innato o aprendido?” en su ciclo “Grandes de la ciencia”, dio una entrevista en la que señaló “cuando yo era estudiante de psicología, en los años ochenta, establecer un vínculo entre la actividad neuronal, es decir lo que hacen las neuronas en el cerebro y los resultados que estudiaba la psicología, como los pensamientos, los recuerdos, las emociones o los planes, era un desafío enorme, porque existía una brecha muy grande entre ambos niveles”. 

Fue por eso que May Britt, que luego se convirtió en su mujer, hasta el 2016 y él empezaron a estudiar este problema, “científicamente muy estimulante” y consiguieron un doctorado en neurofisiología, trabajando con las técnicas que existían en ese momento, que permitían inferir, de manera indirecta, qué estaba ocurriendo en las neuronas del cerebro en relación con la memoria.

Sobre si escaneaban células d distintas áreas del cerebro, señala “Sí, pero se trataba más bien de registrar una actividad promedio, lo que sin embargo, no era suficiente”. 

“Mientras tanto, entramos en contacto con el trabajo de John O’Keefe, con quien más tarde compartiríamos el Premio Nobel, que a comienzos de los años setenta ya había registrado por primera vez las llamadas células de lugar o place cells, que son células que se activan cuando un animal está en un lugar determinado, peor el punto, es que él registraba una neurona a la vez y ese, fue el punto de partida de nuestro laboratorio, a finales de los años 90, ya que nosotros también comenzamos trabajando con registros de neuronas individuales. 

Cambio de paradigma: en los últimos diez años se produjo una verdadera explosión, ya no se trabaja con una sola célula, ahora podemos registrar miles de manera simultánea, porque se sabe que los códigos del cerebro no están contenidos en neuronas individuales. 

“Por supuesto que las neuronas individuales son importantes, pero la información emerge de sus interacciones, esa complejidad de datos no estaba disponible antes y hoy lo está, gracias a nuevas técnicas experimentales y hay nuevas formas de analizar e interpretar conjuntos de datos complejos. Por eso, la neurociencia actual es muy diferente de la que existía hace cuarenta años. Es un campo que avanza a una velocidad extraordinaria” explica el investigador.

Sobre el reconocimiento de las células de Red, Moser agrega “se reconocen a partir de su actividad neuronal, es lo que llamamos un reconocimiento funcional, pero no se `ven` las células en sí”, por lo que desde lo visual se parecen a cualquier otra neurona, por lo que “si me mostraras una neurona aislada, no podría decirte si es o no una célula de red. Ni siquiera hoy, basándonos en los genes que expresa”. 

Según el investigador “es posible que exista alguna firma genética específica, pero hasta ahora no se ha identificado, es decir que es como ver a dos atletas: no sabes cuál es el más rápido hasta que los ves correr”. 

“En nuestro caso, dejamos que la rata se mueva de manera libre por un entorno y lo que observamos son estos patrones de activación y hoy, podemos registrar cientos o incluso miles de estas neuronas al mismo tiempo y lo interesante, es que ya no es ni necesario relacionarlas con el mundo exterior: las podemos reconocer identificándolas a partir de sus relaciones con otras células” continúa.

“Incluso cuando el animal está dormido, soñando o en reposo, estos patrones siguen estando presentes, aunque ya no estén anclados a un entorno físico concreto. Las relaciones entre las células se mantienen” agrega. 

Sobre la posibilidad de que cambien de función, el investigador señala “las células de red no cambian de función: son siempre células de red. No se reciclan ni se transforman en otro tipo de neuronas, y hasta ahora no se ha observado ninguna excepción a esto. Existen también otras clases de neuronas implicadas en la navegación, como las head direction cells (“células de dirección de la cabeza”), que codifican la dirección hacia la que está orientado el animal, no en relación con el norte magnético, sino con referencias internas del entorno, como una pared o una puerta. Ambos sistemas trabajan conjuntamente: las células de red proporcionan una especie de mapa con coordenadas espaciales, mientras que las head direction cells actúan como una brújula y ara orientarse en el espacio, el cerebro necesita ambas cosas: posición y orientación.

Sobre cómo realizan su función, el investigador menciona “durante mucho tiempo no lo teníamos claro y de hecho, esto empezó a aclararse hace poco, con un trabajo que publicamos en Nature el año pasado Lo que descubrimos es que el patrón hexagonal característico de estas neuronas no es algo fijo, sino un promedio temporal”. 

“Si se registra la actividad durante varios minutos, aparecen puntos estables en el espacio. Pero si se observa la actividad con resolución de milisegundos, se ve algo muy distinto: en intervalos de entre 50 y 100 milisegundos, la actividad neuronal no permanece en un punto, sino que se desplaza con un patrón hiper regular que comienza en la posición actual del animal y se extiende de manera progresiva, hacia posiciones cercanas” continúa el investigador.

Este proceso recuerda, en su estructura temporal, al barrido que realizan algunos murciélagos mediante ecolocalización, aunque en este caso no hay señales emitidas hacia el exterior. El fenómeno no puede observarse en una sola neurona: solo se hace visible cuando se registran muchas células de red simultáneamente. Entonces se observa una secuencia ordenada de activación: primero las neuronas que representan la posición actual, luego las que codifican posiciones ligeramente adelantadas, después otras más lejanas, hasta que el ciclo se reinicia. 

Sofisticación: hay más, ya que este patrón no depende de la información visual ni de estímulos externos, sino que es una dinámica intrínseca del circuito neuronal y se produce incluso durante el sueño. 

Las neuronas, están conectadas de tal manera que generan estas secuencias de activación de forma autónoma y la función de este mecanismo, es permitir que el cerebro explore de manera rápida y sistemática el espacio que rodea al animal, ya que cada barrido dura menos de 100 milisegundos y cubre no solo la posición actual, sino también las posibles trayectorias y relaciones espaciales cercanas y de este modo, el sistema de navegación cerebral no se limita a saber dónde está el organismo en un instante dado, sino que construye un mapa dinámico que permite anticipar rutas, distancias y conexiones en el entorno. 

Sobre cómo imaginar estos patrones, Moser explica “no se trata de algo que queda verse de manera directa, en una neurona o en el cerebro, sino que la forma hexagonal solo aparece si se registra la actividad de la célula durante un período prolongado, para lo que es necesario medir dos cosas al mismo tiempo: la posición del animal mientras se mueve y los momentos en que la neurona emite impulsos eléctricos”.

“En el caso de una célula individual, la neurona solo se activa cuando el animal se encuentra en determinadas posiciones del espacio y si se superpone esa actividad a lo largo del tiempo, se observa que esos puntos de activación no están distribuidos al azar, sino que forman un patrón regular de tipo hexagonal” explica el neurocientífico. 

“El hexágono no corresponde a la forma de la neurona, sino a las posiciones del animal en el espacio cuando la célula se activa y lo notable es que este patrón puede aparecer incluso cuando no hay un espacio físico real” continúa. 

Durante el sueño, por ejemplo, la actividad de las neuronas sigue desplazándose como si recorriera un espacio virtual, es decir que es como si el cerebro explorara internamente el entorno: las neuronas se activan siguiendo el mismo patrón hexagonal, pero ya no están ancladas a una habitación o a un lugar concreto, sino a un espacio interno que existe únicamente en la mente del animal.

Una de las razones por las que las células de red despertaron tanto interés es su relación con enfermedades como el alzhéimer, en las que se deterioran muy pronto la percepción del espacio y del tiempo, pero ¿Por qué esta región del cerebro es tan vulnerable?

Para entenderlo, hay que retroceder un poco y fijarse en el área cerebral implicada, el córtex entorrinal, ya que esta región se divide en dos partes: una medial, situada más hacia el centro, y una lateral, situada hacia el exterior y mientras la parte medial, es la que contiene las células de red y está implicada de manera fundamental en la representación del espacio, la parte lateral, en cambio, es muy diferente y parece estar mucho más relacionada con el procesamiento del tiempo.

En esta región lateral los investigadores observaron que “la actividad neuronal no vuelve nunca a un estado anterior, sino que cambia de manera continua, lo que se correlaciona con el paso del tiempo: si la actividad cambia mucho, es porque pasó mucho tiempo y si cambia poco, pasó poco tiempo y creemos que esta dinámica es una de las formas en que el cerebro mantiene un registro del tiempo transcurrido”.

Estas dos áreas son las primeras regiones que se ven afectadas en la enfermedad de Alzheimer, por lo que los primeros síntomas suelen ser la desorientación espacial y la dificultad para seguir el paso del tiempo y cuando se combinan estos dos déficits, también se afecta la memoria, que depende de manera intrínseca de la relación entre espacio y tiempo, por lo que a su vez, espacio, tiempo y memoria, son las primeras funciones que se deterioran en esta enfermedad.

La gran pregunta todavía es ¿por qué el Alzhéimer comienza allí?. Aunque no se sabe, se trata de células muy especiales, en particular en la región lateral, donde la enfermedad parece iniciarse y son neuronas muy grandes que, de manera probable, tienen unas demandas energéticas elevadas, lo que podría hacerlas más vulnerables, pero el mecanismo exacto, es incierto y es un tema central de investigación.

Uno de los campos que más interés despierta interés en los últimos tiempos, es la posibilidad de utilizar prótesis para sustituir algunas funciones cerebrales dañadas, pero ¿ss algo realmente viable para este tipo de neuronas?

“No es un ámbito en el que mi laboratorio trabaje de manera directa. Las prótesis pueden ser útiles en áreas del cerebro donde la codificación neuronal es bastante simple, como en el control del movimiento y por ejemplo, si una persona pierde la capacidad de mover un brazo, es posible activar un brazo prostético leyendo la actividad de las áreas motoras del cerebro, que codifican órdenes muy cercanas al movimiento en sí” explica Moser.

“Sin embargo, cuando se trata de funciones como la memoria, la navegación o la percepción del tiempo, no basta con leer una señal simple: es necesario comprender en detalle los circuitos internos que generan esas funciones y por eso, este tipo de aplicaciones está todavía muy lejos de ser realizable” agrega.

En teoría, la única posibilidad sería implantar en el cerebro un circuito electrónico que pudiera emular el funcionamiento de sistemas como el que construyen las células de red, aunque para lograrlo sería necesario entender con mucha precisión cómo funcionan estas neuronas y en segundo lugar, habría que conectar ese circuito artificial con el resto del cerebro de la manera adecuada. 

Lo que no es sencillo, por lo que sobre si lo que le pasa al coronel Miles Quaritch de la película Avatar, que su cerebro es codificado y su consciencia y recuerdos son implantados en un cuerpo diferente, ¿es totalmente impensable? El investigador aclara “es imposible hacer un clon mental del cerebro de una persona, pero si la pregunta se limita a sistemas concretos, como el sistema motor, o incluso a la visión, quizás y existen proyectos que intentan restaurar parcialmente la visión en personas ciegas mediante dispositivos que captan señales luminosas y las convierten en impulsos eléctricos enviados directamente al cerebro y aquí, la dificultad principal está en lograr una conexión precisa con las neuronas adecuadas”.

Cuando se habla del cerebro en su conjunto, la situación es mucho más compleja y una de las razones fundamentales, es que las conexiones cerebrales también dependen de la experiencia: la interacción con el entorno genera patrones de actividad neuronal que, a su vez, determinan qué conexiones se forman y cuáles se refuerzan, ya que sin esa interacción con el mundo, no es posible recrear un cerebro funcional.

Esta, es también, una de las razones por las que resulta tan difícil imaginar una inteligencia artificial que emule de manera real un cerebro humano, aunque los sistemas de inteligencia artificial actuales pueden hacer muchas cosas, no lo hacen imitando el funcionamiento del cerebro, sino siguiendo patrones estadísticos.

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