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Cómo armar un cerebro
Roland Pease
BBC News
Lunes, 24 de junio de 2013
Los científicos esperan conocer mejor el funcionamiento del cerebro.
"Soy un neuroingeniero y uno de mis objetivos es construir cerebros".
El profesor Steven Potter se presentó con una sencillez encantadora.
Si se pueden reprogramar células del corazón o de la piel, ¿por qué no las neuronas?No es que la ingeniería de tejidos sea inusual. Ni siquiera que sea un problema hacerlo con células neuronales.
Pero "construir cerebros" había sido mi manera aventurada de etiquetar una intrigante, sin duda desconcertante, rama de la ciencia: la neurofisiología de los cultivos incorpóreos de células cerebrales y no esperaba que un científico serio utilizara esa expresión.
Aún así, Steven Potter, profesor del departamento de ingeniería biomédica en el Instituto de Tecnología de Georgia en Estados Unidos (Georgia Tech), insiste en que palabras como "cerebro" y "mente" forman parte de su trabajo.
"Una de las cosas en las que me distingo de muchos de los neurocientíficos es que creo que hay un espectro de mentes. No hay un punto en el que de repente la mente esté ahí".
"Creo que hay una cantidad de mentes diferentes en distintos animales. E incluso en uno mismo, si ha tomado o no su café, si está dormido o despierto".
La matriz
La herramienta clave en el laboratorio de Potter es la "matriz multielectrodos", una versión actualizada de la tradicional placa de Petri empleada en laboratorios de microbiología de todo el mundo, mejorada por la suma de una variedad de contactos eléctricos que los investigadores pueden utilizar para "escuchar" la actividad eléctrica de las células neuronales.
"Un sistema neural como parte de una entidad biológica tiene, suponemos, sus propios intereses, quiere mantenerse vivo. Pero una vez que lo sacamos del cuerpo, esos intereses parecen desaparecer"
Riley Zeller-Townson, Georgia Tech
Otro investigador equipara el mecanismo a un EEG, el electroencefalograma que los médicos clínicos emplean para monitorear la actividad del cerebro.
Los propios cultivos neurales contienen algunas decenas de miles de células, una minúscula fracción de los alrededor de cientos de miles de millones que forman el cerebro humano; "una pequeña muestra del cerebro", según las palabras de la estudiante de postgrado en el laboratorio de Potter, Michelle Kuykendal.
No se puede esperar mucho de ellas, reconoce Steven Potter. "Pero estamos seguros de que uno de estos cultivos tiene comportamiento complejo, incluso con 10.000 neuronas. Hay algunos insectos, animales simples, que tienen aproximadamente el número de células que tenemos en nuestros platillos de cultivos", le dice a la BBC.
Empezar a vivir
En el primer momento en que se colocan las células neuronales en los platos de la matriz éstas no son capaces de hacer nada.
El proceso de prepararlas a partir del tejido neural preexistente obtenido de ratas, reinicia las neuronas, de manera que pierden la estructura que previamente habían desarrollado.
Utilizando un sistema de fotografía secuencial, usando un microscopio se puede observar cómo las neuronas hacen brotar ramificaciones -llamadas axones-, que se extienden para hacer contacto con otras neuronas.
Parece como si estuvieran abriéndose camino a ciegas, pero las neuronas también desprenden señales químicas que ayudan a guiar las extensiones. Conforme más y más axones hacen conexiones, que se llaman sinapsis, todo el cultivo empieza a vivir eléctricamente.
Como la mente de los niños
Según Potter, la estimulación eléctrica es fundamental para los cultivos.
"Es como una gran malla, una tela de araña de interconectividad", explica Ben Whalley, de la Universidad de Reading, cuyos experimentos empiezan con cultivos generados a partir de células madre humanas.
"No es un sistema estático. Y es por eso que hay que monitorear estas cosas tan rápidamente".
El mismo proceso ocurre en las mentes de los niños. De hecho, sucede todo el tiempo; la reconfiguración del patrón de las sinapsis es el fundamento del aprendizaje y la memoria.
Pero en estos cultivos, los investigadores pueden observar cómo ocurre el proceso e intervenir en él. Tanto Potter como Whalley emplean electrodos para hablar con las células y para escucharlas.
"Podemos observar cómo algunos aportes eléctricos específicos hacen que ciertas conexiones se refuercen", explica Potter.
"Podemos ver la actividad fluyendo en el circuito, podemos intentar reforzar ciertos circuitos y debilitar otros mediante la estimulación eléctrica que les demos".
Steven Potter dice que la estimulación eléctrica es vital para mantener los cultivos sanos. Dado que estos cultivos tienen "sus propias mentes", hay un límite respecto a cuánta dirección se les puede dar, sospecha Whalley.
"Si se introduce una pequeña estimulación eléctrica, que puede durar dos o tres minutos, y se devuelve el cultivo a la incubadora, hay toda una serie de reacciones circulando a través de la red que quizá no tengan tanto que ver con la poca intervención que se hizo".
Inquietud
La reconfiguración del patrón de las sinapsis es el fundamento del aprendizaje y la memoria.
Immy Smith, asistente de postdoctorado en el laboratorio de Ben Whalley, reconoce que la idea de estas células disparándose en la incubadora es algo inquietante.
"Mientras no estamos mirando, son neuronas que hacen, básicamente, lo que hacen", sostiene Smith.
"Y es extraño pensar en ello cuando estás cultivando células humanas porque entonces te preguntas: '¿qué estás haciendo, qué estás pensando?'".
En la Universidad de Reading, Whalley ha formado equipo con el cibernético Slawomir Nausto para establecer un Laboratorio de Materialización del Cerebro, donde los cultivos serán conectados con robots, o al menos simulaciones de robots, para que lo que las neuronas generen conduzca a acciones y lo que reciban sean señales reales.
Whalley ya ha demostrado que un pequeño robot con ruedas equipado con sensores de proximidad puede aprender en pocos días a evitar las paredes de la caja de madera en la que se encuentra. Parece inteligente, aunque Whalley advierte que no quiere insinuar que lo sea mucho.
Preguntas perturbadoras
Ben Whalley experimentó con pequeños robots equipados con ruedas que pueden sortear obstáculos.
El laboratorio de Potter colaboró con artistas de la Universidad Occidental de Australia para crear una instalación de arte robótica, Silent Barrage ("Descarga silenciosa") que se podía controlar por internet desde un cultivo neural.
"Era el ciborg (organismo energético) más grande del mundo", explica Riley Zeller-Townson, de Georgia Tech, "porque teníamos el cuerpo en un lado del planeta y el cerebro en el otro".
Interesado tanto en la percepción del espectador de la instalación como en el funcionamiento técnico del robot, Zeller-Townson, de Georgia Tech, indica que la colaboración arrojó algunos cuestionamientos inquietantes.
"Un sistema neural como parte de una entidad biológica tiene, suponemos, sus propios intereses: quiere mantenerse vivo. Pero una vez que lo sacamos del cuerpo, esos intereses parecen desaparecer", señala.
"Ya no tiene un cuerpo que mantener vivo, así que ¿qué intereses puede tener? ¿Cuáles son las propiedades del sistema neural que pueden dictar dichos intereses? ¿Tiene una mente, tiene experiencias?".
Conciencia de sí mismo
En el Laboratorio de Materialización del Cerebro, la idea es observar mucho más de cerca la cuestión práctica del aprendizaje en cultivos celulares.
"Nos gustaría estudiar robots más complicados que puedan manipular objetos", explicó Nasuto. "Así que le daremos la capacidad de agarrar algo, quizá girarlo, acercarlo y al mismo tiempo tener algún tipo de sistema visual rudimentario".
"La mayor parte de las personas que estudian cualquier cosa relacionada con el cerebro lo hacen por el misterio. Pero lo bonito es que hemos fragmentado estos cerebros y los estamos cultivando para desentrañar parte de ese misterio, de manera que tengamos más control para entender mejor qué es lo que está pasando en ellos"
Michelle Kuykendal, Georgia Tech
La idea es "cerrar el círculo", tener sistemas neuronales con retroalimentación, para que el robot pueda comparar la tarea planificada con lo que realmente está consiguiendo, de la misma manera que un niño puede aprender mediante la técnica de ensayo y error a alcanzar y agarrar algo.
Sustancias químicas de recompensa, como la dopamina, se pueden añadir a los cultivos para reafirmar los logros. Todo el tiempo, los investigadores pueden monitorear la actividad eléctrica en el cultivo y observar a través de un microscopio cómo la red toma forma y se remodela.
Potter sugiere que un cultivo que controla directamente un sistema de reparto de dopamina puede, de alguna manera, imitar una adicción y aprender a darse subidones químicos a la carta.
Pero quizá el círculo cerrado más sorprendente sería el de la conciencia de sí mismo, dice.
"La conciencia de sí mismo no es una chispa mágica que tienen las neuronas humanas; surge gracias a circuitos específicos que monitorean lo que está ocurriendo en el cerebro humano. Nuestros cultivos no tienen esa percepción en este momento, pero podríamos colocársela.
"Nuestro programa informático puede monitorear patrones de actividad y enviar la información de vuelta como una estimulación particular a través de los electrodos. Sería una autoconciencia muy rudimentaria pero es todo lo que haría falta".
Puede parecer una posibilidad remota. Pero estos cultivos ya nos fuerzan a aceptar la verdad de que, independientemente de lo misterioso e instintivo que pueda parecer el pensamiento, todo se reduce a las señales eléctricas y químicas que circulan a través de la materia que tenemos en la cabeza.
"La mayor parte de las personas que estudian cualquier cosa relacionada con el cerebro lo hacen por el misterio", dice la estudiante de postgrado de Georgia Tech, Michelle Kuykendal.
"Pero lo bonito es que hemos fragmentado estos cerebros y los estamos cultivando para desentrañar parte de ese misterio, de manera que tengamos más control para entender mejor qué es lo que está pasando en ellos".
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