Los poderes de la mente (y sus debilidades)

El 17 de Mayo de 1965 un hecho acaecido en Córdoba en el verano de 1963 fue portada del New York Times.

En contra de lo que podríamos esperar, no se trataba de ningún horrendo crimen ni de ninguna desgracia natural, sino de ¡un experimento científico!.

El profesor José Manuel Rodríguez Delgado, catedrático de la Universidad de Yale y originario de la taurina ciudad de Ronda, había diseñado un experimento para demostrar de manera espectacular las posibilidades de control de la mente de un animal por la intervención humana (video nº 1)

Video nº1

El experimento se realizó en colaboración con los Drs. D. Francisco Castejón Calderón (posteriormente fue primer rector de la UCO) y D. Francisco Santisteban García.

Mediante cirugía habían implantado unos electrodos en el cerebro de un novillo y, convertido en torero por un día, el Dr. Rodríguez Delgado se disponía a citarlo con su muleta durante una capea organizada la finca “La Alamirilla”, creo que cerca de Medina Azahara.

Tan pronto como el toro lo embistió, y justo antes de que lo arrollara, pulsó un mando a distancia que portaba en su mano y, según las crónicas, el animal se detuvo en seco

Rodríguez Delgado era un pionero en la investigación de

la respuesta del cerebro a la estimulación eléctrica y había desarrollado durante los años 50 una serie de experimentos en los que se estudiaba el efecto de la estimulación mediante electrodos de diversas áreas del cerebro de gatos y monos.

El Prof. Rodríguez-Delgado paraliza a un toro con el mando a distancia

En realidad sus experimentos, y los de otros dos pioneros del campo, James Olds y Robert Heath, tenían un antecedente en los estudios del médico suizo Walter Rudolph Hess (nada que ver con el famoso nazi), quien obtuvo el premio Nobel de Medicina y Fisiología del año 1949.

En su lección Nobel, Hess ya advertía de como un electrodo instalado en según que zona del cerebro no sólo afectaba a sus movimientos, sino también a su humor, y un gato que normalmente se mostraba amigable (a pesar de las perrerías a las que estaba sometido), cuando se estimulaba en ciertas zonas se volvía extremadamente agresivo.

Mediante este tipo de experimentos, por ejemplo Olds había encontrado que la estimulación de un pequeño núcleo del cerebro de la rata, el septum, era placentero para la rata. De hecho, una rata que había aprendido a pulsar la palanquita que disparaba el estímulo, la pulsaba una y otra vez hasta la extenuación: había descubierto el centro de la recompensa (o del placer).

Como era de esperar, estos estudios no se limitaron a los animales, sino que pronto se comenzaron a implantar electrodos en el cerebro de pacientes mentales de diverso tipo. De estos estudios se derivaron algunos programas de investigación que, por supuesto, hoy en día no serían aprobados por ningún comité de bioética, como el intento de modificar la conducta sexual de los homosexuales, o de los criminales mediante la implantación de electrodos.

(Podéis encontrar abundante información en internet, e incluso vídeos en el Youtube, sobre programas secretos tales como BLUEBIRD, ARTICHOKE, MKULTRA, MKSEARCH o MKNAOMI y otros, desarrollados por la CIA, y me imagino que habrá otros tantos del KGB).

No obstante, de los experimentos llevados a cabo en animales y de los estudios realizados en humanos, no siempre secretos, se han derivado diversas aplicaciones prácticas de utilidad médica, como son los implantes para controlar el temblor de los enfermos de Parkinson o los ataques epilépticos.

Con el desarrollo de la informática también se ha explotado el hecho de que el cerebro no sólo es capaz de recibir señales eléctricas, sino también de emitirlas.

Estas señales pueden ser canalizadas hasta un ordenador y éste puede ayudar a ciertos enfermos a controlar su entorno. Por ejemplo, las personas tetrapléjicas o los enfermos de esclerosis lateral amiotrófica podrían llegar realizar tareas que les son difíciles, como hablar o controlar la silla de ruedas, únicamente con el pensamiento.

En este sentido, en los últimos años se han realizado algunos experimentos, aprobados por la FDA, en pacientes paralizados que, por ejemplo, han podido controlar el cursor del ordenador.

El impulso eléctrico generado al imaginar que realizaban una tarea cerebral era canalizado por los electrodos y descodificado como un deslizamiento del cursor sobre la pantalla en donde figuraba un listado de deseos o de estados de necesidad.

Video nº 2

Sin embargo, esta aproximación todavía está muy lejos de salir de los laboratorios y ser de aplicación generalizada. Por ejemplo, tiene el inconveniente de que es necesaria una operación en pacientes de salud muy delicada.

Además hay problemas con la biocompatibilidad y la durabilidad de los implantes. Tampoco está totalmente claro cuales son los mejores puntos del cerebro en los que insertar los electrodos para obtener señales de utilidad.

Para evitar los numerosos inconvenientes de la cirugía se están desarrollando sistemas que tratan de aprovechar el más mínimo movimiento que puedan realizar estos pacientes para codificar (el paciente) y descodificar (el ordenador) sus deseos.

Por ejemplo, hace unas semanas se ha comunicado el desarrollo de un aparato capaz de transmitir pensamientos a otra persona, con sólo vocalizarlos en la laringe, sin necesidad de emitir sonidos, una especie de “telepatía” (video nº 2).

El sistema se basa en un collar que detecta las señales de las palabras rememoradas en la laringe y lo transmite a un ordenador, que hace el resto del proceso comunicativo (http://www.theaudeo.com/tech.html).

Video nº 3

Algo parecido se ha conseguido el control de las sillas de ruedas. Además, hay programas de investigación que tratan de aprovechar las ondas que genera la actividad eléctrica del cerebro, recogidas en los encefalogramas, y que no requiere más que unos electrodos adheridos al cuero cabelludo.

También se ha avanzado en la implantación de extremidades robóticas a algunos tipos de pacientes, en algún caso mediante control por parte del propio paciente, ya que estas extremidades se han conectado a sus propios nervios (Video nº 3).

A pesar de que los movimientos conseguidos de esta manera son algo rudimentarios, éstos serían suficientes para incrementar de manera significativa la calidad de vida de estas personas.

Un campo en el que también se ha avanzado notablemente es en la recuperación de sensorial en sordos.

Los implantes cocleares, que ya llevan miles de personas, recogen mediante un micrófono los sonidos y los transforman en una señal eléctrica que estimula el nervio acústico.

Video nº 4

También se trabaja en la recuperación de la vista en los ciegos, mediante la transformación de las imágenes obtenidas por microcámaras en señales capaces de estimular la corteza visual.

Es de esperar que en los próximos años se consigan importantes avances en varios de estos frentes.

Os adjunto el vídeo nº 4 , que aunque está en japonés (no entiendo una palabra), ilustra de manera muy clara varias aplicaciones: primero veréis una rata con un implante cerebral.

La rata ha aprendido a obtener agua de un bebedero retráctil al pulsar una palanquita.

Posteriormente, ya no tiene que pulsar la palanca para obtener el agua, sino que el simple impulso eléctrico generado por el cerebro cuando quiere beber hace que se active el bebedero.

Después podéis ver a un mono capaz de controlar un brazo artificial para coger la comida y acercársela a la boca.

Video nº 5

A continuación podéis observar a un paciente tetrapléjico que controla el cursor de un ordenador con el pensamiento y también una mano artificial.

Por último el vídeo muestra una rata dirigible desde el ordenador que sube y baja unas rampas y atraviesa un laberinto gracias a los estímulos que recibe del ordenador.

Esta rata es protagonista de otro video más detallado (video nº 5), ahora en inglés, en donde se explica que lo que se estimula son los núcleos cerebrales que reciben la información de las vibrisas (los bigotes) de la parte derecha o izquierda, según para dónde quieren que gire.

Si lo hace correctamente es gratificada estimulándole el centro de recompensa en el cerebro (el arriba mencionado núcleo del septum).

En resumen, estos pocos ejemplos ilustran los beneficios que pueden derivarse de aquellas investigaciones iniciadas por pioneros como el Dr. Rodríguez-Delgado, a pesar de que de las mismas también pueden, y han querido, derivarse aplicaciones más que cuestionables desde un punto de vista ético.

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