El cerebro en technicolor

Queridos amigos:

Aunque no es mi intención escribir un serial sobre la memoria, en el comentario de este mes quiero continuar un punto que mencioné al final de mi anterior colaboración, ya que en los últimos meses se ha realizado un avance técnico realmente significativo en este campo.

Me estoy refiriendo a ese objetivo mítico de los neurobiólogos que es el llegar a cartografiar los circuitos del cerebro.

Fig. 1: "Ratón transgénico que expresa un proteína fluorescente en la piel, fotografiado bajo iluminación fluorescente (izda) o normal (dcha)

Este trabajo fue iniciado por Cajal hace más de un siglo usando la técnica de impregnación de las neuronas con sales de plata, que había desarrollado el italiano Camilo Golgi.

Por alguna razón desconocida, la técnica de Golgi sólo teñía algunas neuronas, y esto facilitó a Cajal el establecimiento del axioma de que las neuronas no se tocan entre si y, además, pudo bosquejar la cartografía de los primeros circuitos cerebrales.

Fig. 2. Corteza cerebral del ratón brainbow

Si se hubieran teñido todas las neuronas no habría llegado a ninguna conclusión, ya que la maraña que forman las dendritas y los axones sería absolutamente inextricable e ininteligible: no podríamos seguir la ruta de las ramificaciones sin confundirnos con las de las neuronas vecinas, y por tanto no podríamos determinar el curso de los circuitos.

Curiosamente, Golgi que había inventado la técnica y que compartió el premio Nobel con Cajal en 1906, nunca llegó a creer en la teoría neuronal de Cajal y murió en 1926 (8 años antes que Cajal) creyendo en la teoría reticular, según la cual las neuronas están unidas formando una red, a pesar de que la teoría neuronal ya era ampliamente aceptada por la comunidad científica.

Siguiendo los trabajos pioneros de Cajal, generaciones de científicos han trabajado a lo largo del último siglo para ir elaborando mapas de los circuitos neuronales, usando tanto la técnica de Golgi, como otros nuevos procedimientos de tinción que, al igual que aquella, tiñen pocas neuronas.

Fig. 3. Hipocampo del ratón brainbow

Sin embargo, parece que hemos llegado al momento de tener una visión más global de estos circuitos gracias a un importantísimo desarrollo técnico que publicó el 1 de Noviembre de 2007 la revista Nature, y que de hecho constituía su portada.

Un grupo de científicos de la Universidad de Harvard, encabezados por Jeff Lichtman ha ingeniado un método por el que las neuronas del cerebro de un ratón se tiñen de colores.

Cada neurona lo hace de un color de manera aleatoria, con lo que es posible seguir las ramitas (dendritas y axón) de cierta neurona sin confundirse con las neuronas vecinas ya que estas tienen otros colores.

Fig. 4. Detalle del giro dentado del ratón brainbow

Comprobaron que el color característico de la neurona se conservaba en toda ella, desde su cuerpo celular hasta las ramificaciones más finas. Se puede saber así con que neuronas vecinas contacta.

El principio de esta coloración aleatoria es semejante al de la televisión en color: con unos colores básicos (el rojo, verde y azul del sistema RGB) se pueden conseguir infinidad de coloraciones en nuestros monitores de TV. En el caso de los ratones se han utilizado proteínas fluorescentes de las que os hablé en la colaboración anterior.

Hay proteínas fluorescentes de varios colores, que de manera natural se encuentran en varias especies de medusas. Los genes de esas proteínas fluorescentes se habían aislado hace años, y como ya os dije se utilizan en el trabajo habitual de los laboratorios como bombillitas moleculares que nos iluminan células o proteínas.

Estos investigadores crearon unos ratones transgénicos en cuyos cromosomas se habían introducido los genes de las medusas, y ahora esas proteínas de colores se expresaban en las neuronas de los ratones como si de proteínas propias se tratara.

De hecho, hace tiempo que se utilizan ratones, cerdos y otros animales con células fluorescentes, como por ejemplo el de la figura 1 que corresponde a un ratón fluorescente usado en la investigación del cáncer.

Fig 5. Paquete de axones del nervio óptico del ratón brainbow

En los ratones que nos ocupan ahora, pusieron genes para cuatro colores (verde, rojo, azul y naranja) y por un ingenioso procedimiento genético, en cada neurona no se expresaban las cuatro proteínas simultáneamente, sino que de manera aleatoria se expresaba una de ellas o combinaciones de las mismas, en cantidades variables, dando lugar a una paleta de colores en las que cada neurona queda marcada de un color diferente (Figura 2, 3 y 4).

Por inspección visual, estos científicos podían distinguir hasta 89 colores, pero por procesamiento de las imágenes en el ordenador se pueden ver hasta 136 colores diferentes (podéis ver algún ejemplo de ramitas teñidas con una variedad colores en la Figura 5). Jugando con las palabras “brain” (cerebro) y “rainbow” (arco iris), los ratones han sido llamados BRAINBOW por sus inventores.

Naturalmente en la elaboración de los mapas se requieren ordenadores de gran capacidad de cálculo para manejar las innumerables imágenes que se toman de cada neurona, utilizando un microscopio especial llamado confocal.

Hay que tener en cuenta que el cerebro de un ratón tiene unos cien millones de neuronas y cada una hace una media de mil contactos con las vecinas (el humano tiene unas mil veces más neuronas y sinapsis).

video 1: reconstrucción tridimensional del cerebelo en el ratón Brainbow


video 2: crecimiento del axón en una neurona fluorescente

En el vídeo 1 de youtube podéis ver la reconstrucción tridimensional de una pequeña zona del cerebelo, una zona de nuestro cerebro que se encarga de controlar la posición de nuestro cuerpo.

Por tanto, esta técnica supone un cambio dramático en las posibilidades técnicas de investigación en la circuitería cerebral, siendo conscientes de la dificultad de la tarea planteada.

De hecho, y siguiendo la estrategia que ya usó Cajal, mucho de los que se sabe sobre los circuitos cerebrales se ha obtenido estudiando animales durante el desarrollo embrionario, antes de que la maraña sea demasiado compleja.

Por ejemplo, en el video 2 podéis ver el crecimiento del axón de una neurona fluorescente.

En este sentido el ratón Brainbow también puede ser muy útil para seguir la formación de contactos entre neuronas de diferente color.

Si esto parece complejo, imaginad el escalofrío que sentimos cuando pensamos en cómo cada neurona se coloca en el sitio preciso y hace los contactos exactos durante el desarrollo del embrión.

Por eso, muchos científicos se han inclinado a usar animales menos complejos, como un pequeño gusano (C. elegans se llama el bichito) que sólo tiene 302 neuronas, cada una con nombre y apellidos; o la mosca del vinagre (300.000 neuronas), que es el organismo que usa mi compañero de Departamento y antiguo laboral Ginés Morata (recientemente galardonado con el premio Príncipe de Asturias).

En el video 3 podéis ver un gusanito con las neuronas fluorescentes.

Por ahora, estos estudios sólo se pueden hacer en animales, por lo que alguno se preguntará, ¿y que tiene que ver el cerebro de un ratón o de una mosca con el cerebro humano?.

En este sentido hay que decir que a la evolución le cuesta inventar cosas nuevas y sólo va mejorando las que funcionan.

Los mecanismos de organización que se han descubierto en el gusano, existen en la mosca, en el ratón y por supuesto en el cerebro humano.

Por tanto, la información que se obtenga de estos animales de experimentación será de un valor incalculable, no solo para comprender el funcionamiento de nuestro cerebro sino también para comprender las alteraciones patológicas que se producen en las enfermedades neurológicas.

Enlaces relacionados en Wikipedia:

Santiago Ramón y Cajal

Camilo Golgi