El cerebro humano realiza del orden de 10.000 millones de operaciones por segundo como resultado de la actividad de más de 80 billones de neuronas. Registrar la actividad de tan solo un 10% de estas células es un desafío para la ciencia. La monitorización de su actividad eléctrica se realiza, de forma habitual, utilizando matrices de microelectrodos. Sin embargo, en un estudio publicado este viernes en la revista Science Advances, los fotones aparecen como la mejor alternativa, segúnexplica Liset Menéndez de la Prida, investigadora del Instituto Cajal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Gracias a la característica electromagnética de esta partícula, la sonda creada por los investigadores recibe señales ópticas de todo el sistema. Esta nueva tecnología permite leer la actividad del órgano con el objetivo de construir nuevas tecnologías para diagnosticar las enfermedades.

Por ahora, los investigadores de la Universidad de California Santa Cruz han probado su concepto in vitro sobre cardiomiocitos cultivados, las células excitables del corazón con propiedades parecidas a las neuronas, a las cuales va dirigido este trabajo. La tecnología utilizada son unas sondas nanoscópicas que no necesitan ningún cable electrónico y transmiten resultados de una región muy amplia en alta resolución. Estas herramientas diminutas permiten detectar las oscilaciones de los electrones que se generan en dos materiales. Esta nube de partículas muy sensible, con una carga eléctrica elemental negativa, está estimulada por la luz y de ahí, se pueden leer las corrientes eléctricas.

El sistema convierte por lo tanto esta actividad eléctrica en señales ópticas para interpretar el comportamiento de las células excitables (cardiomiocitos o neuronas) con mayor facilidad y mayor amplitud. Según Ali Yanik, principal autor de este estudio e investigador de la universidad americana, los sistemas actuales del mercado, basados en microelectrodos, solo permiten realizar de 200 a 1.000 medidas, cuando su descubrimiento, mediante la cámara y la luz, puede llegar a millones de mediciones. “Nunca se había hecho antes. Con los cardiomiocitos queremos, en primer lugar, demostrar que funciona. La señal eléctrica de las células tiene un modelo tan particular que decidimos crear algo que nos permitiría verla”, sostiene el experto.

Pero transformar la corriente eléctrica de las células en señales lumínicas genera un problema. Los científicos reciben una masa de información colosal en un mismo bloque que tienen que deconstruir para identificar cada célula de manera individual. Menéndez de la Prida asegura que supone un reto para el análisis que seguramente precisará de técnicas de inteligencia artificial para extraer esa ingente cantidad de información.

La experta reconoce que este estudio es una novedad en la neurociencia y cuyos hallazgos son fundamentales. Actualmente, para utilizar la luz en el cerebro con el fin de leer la actividad neuronal, explica, es necesario que se exprese una proteína fluorescente lo que implica un cambio genético. “No sabemos aún qué consecuencias puede suponer esto como para arriesgarnos y trasladarla al ser humano”, añade. Pero las sondas ópticas de Yanik utilizan señalización de fluorescencia, un técnica extracelular que no requiere modificaciones genéticas.

Por otro lado, para leer y entender el circuito neuronal hace falta implantar el electrodo en el órgano pero es invasivo y no modifica ni afecta la actividad natural. “Es una nueva manera de leer y de explotar la luz y su interacción con el tejido cerebral”, explica la científica, “aunque es cierto que, para no invadir en absoluto este órgano, tendríamos que desarrollar una técnica para leer a distancia”. 

La ciencia europea sigue la misma línea
Los investigadores europeos utilizan similitudes del descubrimiento de Yanik para las neuronas y a aplicaciones in vivo. Financiado por la Comisión Europea con unos 3,5 millones de euros durante los próximos cuatro años, el CSIC y del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), llevan a cabo el proyecto NanoBright, que también usa la luz para estudiar este órgano tan complejo. La investigadora Menéndez De la Prida, promotora del proyecto junto a los científicos Manuel Valiente del CNIO y Ferruccio Pisanello del Instituto Italiano de Tecnología, asegura que con este sistema quieren entender el microambiente de las regiones cerebrales afectadas por ciertas enfermedades neurológicas.

“Queremos detectar los cambios que se generan alrededor de las lesiones ocasionadas por traumatismos o tumores y los elementos que los hacen crecer”, detalla. La luz, elemento clave de los dos proyectos, también puede permitir elevar localmente la temperatura del tejido y así abrir la barrera hematoencefálica facilitando la entrada de fármacos. El dispositivo podrá dirigir la luz de forma precisa y generar una interacción física con las células para leer sus propiedades y así desarrollar mejoras en el diagnóstico y tratamiento de diversas enfermedades como la epilepsia y tumores.

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