Knowing Neurons
Arte neurocientíficoGrandes IdeasSensación y percepciónTecnologías neurocientíficas

Cómo la neuroimagen cambia nuestra perspectiva de la ciencia y la humanidad

Artículo original: How Neuroimaging Changes Our View of Science and Humanity,  Alexa Erdogan

Traducido por Estefany Ochoa

~~~

“La mente ama lo desconocido. Ama las imágenes cuyo significado es desconocido, ya que el significado de la mente misma es desconocido.” – René Magritte

Los comentarios de Magritte sobre nuestra fascinación por lo desconocido resultan válidos no solo en el surrealismo artístico, sino también en el ámbito de la investigación científica. La mente humana está continuamente fascinada con lo que aún tiene que comprender, y curiosamente, la mente humana misma es uno de esos misterios. Sin embargo, los esfuerzos recientes centrados en obtener imágenes y analizar todo el cerebro, realizados tanto por científicos como por artistas, han ayudado a iluminar este misterio. Con esta nueva tecnología surge la pregunta de cómo la neuroimagen puede influir sobre las perspectivas de un ser con capacidad de sentir. ¿Qué significa ver un reflejo de nuestra propia cognición, tanto para nuestra comprensión de la ciencia como para nuestra percepción de la humanidad y los seres vivos?

Investigadores en todo el mundo han suscitado gran parte de este debate a través del desarrollo de técnicas especiales de neuroimagen tanto en el arte como en la ciencia, así como aplicaciones no convencionales de técnicas previamente establecidas. Un grupo de investigadores de la Universidad de Stanford dirigido por Karl Deisseroth ha desarrollado una estrategia de neuroimagen particularmente novedosa, que ha sido llamada CLARITY.

CLARITY se ha utilizado en cerebros de modelos animales, como el pez cebra y el ratón, así como en muestras de cerebros humanos preservados. Básicamente, vuelve un cerebro transparente. Con esta técnica, los investigadores ahora pueden analizar la delicada arquitectura neuronal del cerebro sin necesidad de diseccionarlo. El método depende esencialmente del uso de lípidos por parte del cerebro, que son moléculas grasas que ayudan a formar las membranas celulares. Es difícil de ver a través de ellos o penetrarlos usando compuestos químicos y luz, pero si se eliminan por completo, el resto del tejido que depende de su andamiaje se desmoronaría. Lo que estos investigadores han hecho en cambio es sumergir el cerebro o una muestra de cerebro en una solución de algo llamado hidrogel, un compuesto altamente absorbente e hidrofílico (amante del agua). Luego, la muestra de cerebro se expone a un nivel de calor similar a la temperatura corporal normal, lo cual causa que los compuestos especiales del hidrogel se coagulen en moléculas ramificadas más largas llamadas polímeros. Sin unirse a ninguno de los lípidos, estos polímeros forman una malla por todo el cerebro, convirtiéndose esencialmente en una especie de andamiaje para el resto del tejido neural. De esta forma, los lípidos pueden eliminarse sin destruir la estructura del cerebro. Una vez que la malla de hidrogel está formada, los investigadores pueden extraer los lípidos utilizando métodos químicos pasivos o técnicas de electroforesis activa.

“… la capacidad de ver la sede de la cognición y la consciencia de una criatura es una experiencia verdaderamente reveladora.”

Las muestras de cerebro se pueden incubar con un detergente iónico cuyas moléculas se difunden pasivamente en el tejido, se unen a los lípidos grasos que no están acoplados a la malla de hidrogel, y por último se difunden pasivamente fuera del tejido. Sin embargo, como podríamos imaginar, esta técnica puede llevar mucho tiempo, de semanas a meses, según el tamaño de la muestra. En cambio, los investigadores pueden emplear una técnica más rápida llamada limpieza electroforética de tejidos. El concepto es esencialmente el mismo, excepto que la muestra ahora se coloca en un campo eléctrico. Las moléculas de detergente iónico están cargadas negativamente por lo que se alejarán de un electrodo (que las repele) y serán atraídas hacia el otro electrodo (que las atrae), cruzando el tejido cerebral y removiendo lípidos en el proceso. Naturalmente, esta técnica es más rápida, pero conlleva el riesgo de dañar los tejidos si el instrumental no funciona correctamente o si el protocolo no se sigue al pie de la letra. Una vez eliminados todos los lípidos, lo que queda es un cerebro transparente con todos los detalles neuronales intactos (neuronas, axones, dendritas, sinapsis, proteínas, ácidos nucleicos, etc.)

Convertir cerebros en un gel transparente de redes neuronales es un truco ingenioso, pero también cambia la forma en que abordamos la investigación neurocientífica. Fundamentalmente, promueve un enfoque más holístico de la neurociencia, lo que significa que todo el cerebro en su conjunto puede examinarse mejor en diagnósticos y estudios. Examinar la arquitectura neuronal de un cerebro intacto podría ayudar a identificar neuronas específicas y cómo contribuyen al funcionamiento, el comportamiento y el desarrollo. Se podrían estudiar nuevas vías neurales y se podrían analizar mejor las vías neurales preexistentes. Esta nueva técnica de imagen también permite a los investigadores observar las relaciones entre las células y las estructuras subcelulares, los complejos proteínicos, los ácidos nucleicos, los neurotransmisores y otras moléculas de señalización. Incluso promueve el uso más eficiente de la tinción con anticuerpos fluorescentes, una técnica de investigación que utiliza anticuerpos diseñados específicamente para unirse a moléculas blanco. Con esta técnica, se pueden realizar múltiples tinciones en la misma muestra de cerebro. Los investigadores pueden simplemente eliminar ciertos anticuerpos y luego repetir el proceso de tinción con diferentes anticuerpos de su elección.

CLARITY podría incluso aplicarse a estudios de biopsias de cáncer, donde los investigadores buscan examinar la dinámica tridimensional de las células cancerosas durante las varias etapas de su desarrollo. Además, el cerebro pueda no ser el único órgano que se beneficie de esta técnica. Tiene el potencial de aplicarse a otros órganos, lo que permitiría una mejor visualización de un organismo completo y sus conexiones estructurales y vías moleculares. Incluso en su uso singular en el cerebro, este tipo de técnica de neuroimagen puede contribuir a nuestra comprensión, entre otros, del desarrollo, la funcionalidad, la autorreparación, y la disfunción neuronal en el cerebro de los humanos y otras especies.

Si bien las ventajas científicas y médicas son claramente abundantes, esta nueva capacidad de ver esencialmente un reflejo de nuestro propio cerebro también alude a otra experiencia completamente diferente. Además de poder rastrear las moléculas que recorren el cerebro, la capacidad de ver la sede de la cognición y la consciencia de una criatura es una experiencia verdaderamente reveladora. Hay muchas formas en que las personas han intentado procesar esta nueva perspectiva, ya sea a través de más investigaciones científicas o del medio dinámico del arte.

Si alguna vez has visto un cerebro rosa dorado o multicolor brillante circulando por el Internet, entonces probablemente hayas estado disfrutando el trabajo del científico y artista Greg Dunn. Su obra más reciente, titulada Self Reflected (Auto Reflejado), es un micrograbado del cerebro que utiliza neuroimágenes para fascinar y educar al público sobre la belleza y la maravilla del cerebro. El proyecto, financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., tiene obras de arte disponibles para la venta en el sitio web de Dunn.

“De hecho, el arte de Dunn puede verse como el complemento artístico del CLARITY de Deisseroth, y ambos se esfuerzan por hacer que el cerebro sea transparente de maneras singulares.”

Greg Dunn comenzó como estudiante de posgrado en neurociencia en la Universidad de Pensilvania, donde comenzó a apreciar la compleja biología del cerebro de una manera maravillosamente interdisciplinaria. Su fascinación por el arte asiático y la neurociencia lo intimó a colaborar con Brian Edwards y muchos colegas neurocientíficos para crear una representación del cerebro y sus redes neuronales utilizando un conglomerado de métodos de investigación y medios artísticos. Estos micrograbados son esencialmente láminas de oro que se graban a escala microscópica, y el color y el brillo de los grabados dependen de cómo se ilumine la pieza y desde qué ángulo se mire. Esta pieza en particular representa un corte sagital oblicuo del cerebro (un corte inclinado a través del cerebro desde la parte superior de la cabeza hasta la parte inferior).

Self Reflected (Todo el micrograbado Self Reflected bajo luz blanca), micrograbado en oro de 22K, 96″ X 130″, 2014-2016, Greg Dunn y Brian Edwards. Foto de Greg Dunn y Will Drinker.

Los micrograbados de Dunn muestran cuán interconectadas y bellamente entretejidas pueden estar las conexiones neuronales. La obra de arte sirve como base y peldaño para que las personas comprendan cuán deliciosamente complejo es el cerebro humano, pero el título por sí solo también alude a un significado filosófico más grandioso. Self Reflected es un título ingenioso que insinúa un sentido más profundo de introspección que acompaña a la comprensión científica, particularmente con respecto a la biología humana. Al mismo tiempo, nos inspira a establecer una base para la autoexploración y la introspección neurocientífica. Dunn menciona específicamente que no creó la pieza con fines de simplificar el cerebro, sino para promover su naturaleza impresionante reflejando con claridad su complejidad. De hecho, el arte de Dunn puede verse como el complemento artístico del CLARITY de Deisseroth, y ambos se esfuerzan por hacer que el cerebro sea transparente de maneras singulares.

La obra de Dunn no solo despierta la contemplación filosófica, sino que también tiene un valor científico importante. Mientras creaban estas imágenes, Dunn y sus colegas obtuvieron información importante sobre cómo los elementos estructurales del cerebro afectan la función de las vías neuronales. Por ejemplo, los patrones de activación rítmicos y ondulatorios de las neuronas en el cerebro están directamente relacionados con la organización neuronal. Las neuronas adyacentes también tienden a estar conectadas entre sí, así como con neuronas distantes a través de largos axones. Una señal en un conjunto de neuronas puede así propagarse a través de esta red estructural, creando un patrón de actividad similar a una onda. Las características estructurales de estas vías axonales también están impuestas por la geometría del cerebro.

De cerca, Self Reflected representa esto maravillosamente. En las regiones del cerebro que tienen una curvatura tridimensional más cóncava, los axones tienen poco margen para maniobrar, lo que hace que se amontonen y parezcan más densos en el micrograbado. Esta densidad axonal se visualiza mejor en el primer plano del cerebelo de Dunn, en el que las estructuras cóncavas en forma de dedos (conocidas como folia) aparecen muy compactas. En áreas que tienen una curvatura tridimensional más convexa, los axones están más sueltos, indicado por los espacios oscuros entre la folia.

Self Reflected (folia cerebelosa- la estructura laminar del cerebelo, una región involucrada en el movimiento y la propiocepción, calculando dónde está el cuerpo en el espacio), micrograbado en oro de 22K, 96″ X 130″, 2014-2016, Greg Dunn y Brian Edwards.

Además, estas visualizaciones también resaltan el maravilloso contraste entre la organización y el caos en el cerebro. Este caos se observa mejor en un video adjunto a la obra, que utiliza un algoritmo muy complejo para simular circuitos neuronales a través del micrograbado. Al combinar la ingeniería informática, la codificación y la neurociencia, Dunn pudo crear la imagen propia del caos aleatorio en un formato artístico limpio y nítido.

El caos del cerebro humano aparece una y otra vez, a través de varios medios, tanto de naturaleza científica como artística. Sin embargo, otros estudios han encontrado que el cerebro humano no es el único que alberga esta complejidad. Si bien podemos enorgullecernos de la exclusividad del cerebro humano y la complejidad que da origen a nuestra inteligencia, estas nuevas técnicas de neuroimagen también han revelado cuán caóticos y complejos son los cerebros de otras especies. Sugiere un mayor vínculo entre todas las especies de este planeta, desde la diminuta mosca de la fruta hasta el ser humano. Tener esta nueva capacidad de ver y sentir el cerebro de un organismo vivo puede convertirse en una experiencia cautivadora y aleccionadora para gran parte de la humanidad.

No hay duda de que el avance de la tecnología y las mentes siempre curiosas de la humanidad seguirán impulsándonos a nuevos tipos de discusiones sobre quiénes somos, qué significa eso y cuál es nuestro lugar en esta canica azul en el espacio. Hoy, podría ser el nuevo horizonte de una neuroimagen más útil, permitiéndonos vislumbrar lo desconocido, lo cual nos atrae de manera tan innata. Mañana, podría ser otro medio más de autorreflexión para la humanidad. A lo largo de este camino, la ciencia seguramente no estará sola en esta búsqueda. Después de todo, generalmente es a través de la colaboración interdisciplinaria que se cultivan algunas de nuestras mejores revelaciones.

~~~

Escrito por Alexa Erdogan
Ilustrado por Jooyeun Lee
Traducido por Estefany Ochoa

~~~

¡Conviértete en un patrocinador!


Referencias

Chung, K., & Deisseroth, K. (2013). CLARITY for mapping the nervous system. Nature methods, 10(6), 508-513.

Greg Dunn’s Website: http://www.gregadunn.com/

Reas, Emilie (9 May 2017) “Q&A with Greg Dunn, neuroscientist turned artist” PLOS Neuro Community (Blog). Retrieved on June 15, 2017 from: http://blogs.plos.org/neuro/2017/05/09/qa-with-greg-dunn-neuroscientist-turned-artist/

Landhuis, E. (2017). Neuroscience: Big brain, big data. Nature, 541(7638), 559-561.

Glasser, M. F., Coalson, T. S., Robinson, E. C., Hacker, C. D., Harwell, J., Yacoub, E., … & Smith, S. M. (2016). A multi-modal parcellation of human cerebral cortex. Nature, 536(7615), 171-178.

[Press Release] (10 April 2013) “Getting CLARITY: Hydrogel process creates transparent brain” Stanford Medicine News Center. Retrieved on July 3, 2017 from: http://med.stanford.edu/news/all-news/2013/04/getting-clarity-hydrogel-process-creates-transparent-brain.html


Autora

Alexa Erdogan

Alexa Erdogan está actualmente cursando una maestría en ingeniería de sistemas espaciales en la Universidad John Hopkins. Aunque ella originalmente empezó a estudiar biología molecular y celular, y neurociencia, ella ha combinado desde entonces estos campos con la ciencia del espacio exterior, resultando en la búsqueda de su más anhelada frontera final: la neurociencia del espacio exterior. Su investigación previa ha ahondado en el papel que la microglía juega en el precondicionamiento isquémico, mientras que sus esfuerzos ahora exploran el impacto que el espacio exterior toma en los sistemas neurológicos de diversas especies. Fuera de su investigación, ella trata de compartir su pasión por las ciencias con otras mentes curiosas utilizando la comunicación científica a través de varios medios de comunicación, desde la prensa hasta los podcast.

Author

  • Alexa Erdogan

    Alexa Erdogan está actualmente cursando una maestría en ingeniería de sistemas espaciales en la Universidad John Hopkins. Aunque ella originalmente empezó a estudiar biología molecular y celular, y neurociencia, ella ha combinado desde entonces estos campos con la ciencia del espacio exterior, resultando en la búsqueda de su más anhelada frontera final: la neurociencia del espacio exterior. Su investigación previa ha ahondado en el papel que la microglía juega en el precondicionamiento isquémico, mientras que sus esfuerzos ahora exploran el impacto que el espacio exterior toma en los sistemas neurológicos de diversas especies. Fuera de su investigación, ella trata de compartir su pasión por las ciencias con otras mentes curiosas utilizando la comunicación científica a través de varios medios de comunicación, desde la prensa hasta los podcast.

Alexa Erdogan

Alexa Erdogan está actualmente cursando una maestría en ingeniería de sistemas espaciales en la Universidad John Hopkins. Aunque ella originalmente empezó a estudiar biología molecular y celular, y neurociencia, ella ha combinado desde entonces estos campos con la ciencia del espacio exterior, resultando en la búsqueda de su más anhelada frontera final: la neurociencia del espacio exterior. Su investigación previa ha ahondado en el papel que la microglía juega en el precondicionamiento isquémico, mientras que sus esfuerzos ahora exploran el impacto que el espacio exterior toma en los sistemas neurológicos de diversas especies. Fuera de su investigación, ella trata de compartir su pasión por las ciencias con otras mentes curiosas utilizando la comunicación científica a través de varios medios de comunicación, desde la prensa hasta los podcast.