El MIT inventa una técnica para observar el cerebro como nunca lo habíamos visto

Meterse dentro del cerebro humano y observar cada detalle sin alterarlo es el sueño imposible de la neurociencia, pero la tecnología lo está acercando a la realidad cada vez más. El Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en EEUU, acaba de publicar en la revista Science una nueva metodología que combina varias innovaciones para obtener imágenes nítidas y de gran resolución de hemisferios cerebrales completos, procesándolas con precisión y etiquetando cada detalle. En una primera aproximación, los investigadores han mapeado los cerebros de dos donantes, uno que tuvo alzhéimer y otro sano: solo es el comienzo de lo que está por venir.

Las imágenes de tejido cerebral obtenidas abarcan resoluciones muy variadas, desde sinapsis concretas (la conexión entre dos neuronas) hasta un hemisferio completo del cerebro. “Esta tecnología nos permite realizar análisis en múltiples escalas”, explica el autor principal del trabajo, Kwanghun Chung, profesor asociado en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT. Potencialmente, “se puede utilizar para mapear completamente los cerebros humanos”. Por el momento, lo que han hecho es una “prueba de concepto” que muestra ejemplos de entramados de neuronas y detalles particulares. Sin embargo, en un futuro, este mismo método podría ofrecer un auténtico atlas en el que sería posible identificar y analizar cada célula, cada circuito y cada proteína.

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Al comparar el cerebro donado por una persona que sufrió alzhéimer con el de otra libre de esta enfermedad, los investigadores realizan un análisis cuantitativo de una región concreta y demuestran que esta nueva metodología tiene un enorme potencial para comprender las claves de patologías neurodegenerativas. Según explican en el trabajo, por primera vez se podrán explorar aspectos diferentes en un mismo cerebro, en lugar de tener que observar distintos fenómenos en muestras de varios pacientes y luego intentar reconstruir una imagen del conjunto, como se ha hecho hasta ahora, con las variaciones que esto puede conllevar. Esto será posible porque la técnica que proponen no degrada los tejidos.

“Necesitamos ver todos los componentes funcionales, las células, su morfología y conectividad, las arquitecturas subcelulares y las conexiones sinápticas individuales”, afirma Chung, “idealmente dentro del mismo cerebro, considerando que hay importantes variabilidades individuales”. El autor del artículo publicado en Science asegura que la tecnología que han desarrollado permite “extraer todas estas características del mismo cerebro y de una manera totalmente integrada", algo imposible hasta la fecha.

Tres innovaciones inéditas

¿Cómo lo han conseguido? Los científicos del MIT explican las tres innovaciones que han dado lugar a la nueva técnica. En esencia, se trata de diseccionar, conservar y digitalizar el cerebro humano como nunca se ha hecho. En primer lugar, han recurrido a la ingeniería mecánica más avanzada para desarrollar un dispositivo que permite cortar el tejido cerebral de una manera tan fina que no se daña. Los cortes hacen que no se pierda información anatómica en la separación ni en ningún otro punto y el nuevo instrumento es tan rápido que logra diseccionar un hemisferio cerebral entero en un solo día, un trabajo que anteriormente, además de ser mucho menos preciso, podía llevar meses.

La segunda clave está en la química. Un nuevo hidrogel mejora las propiedades del tejido cerebral de cara a su estudio, haciendo que la muestra diseccionada sea más clara desde el punto de vista óptico; además de flexible, de manera que se puede expandir y comprimir. Los investigadores aseguran que se convierte en virtualmente indestructible, de manera que se puede volver a trabajar con el tejido cerebral una y otra vez, etiquetando y resaltando diferentes células y moléculas durante años para distintos estudios.

El tercer punto es la restauración computacional de toda la información. Un nuevo software rastrea algorítmicamente los vasos sanguíneos de cada una de las capas adyacentes e incluso identifica los axones de las neuronas (la estructura alargada que sale del cuerpo de estas células y transmite los impulsos nerviosos) con colores, como si en un dispositivo electrónico pusiéramos cables rojos, azules o amarillos para saber cuáles son las conexiones que tenemos que hacer. De esta forma, el sistema computacional, que han llamado UNSLICE, permite reconstruir, neurona a neurona, el hemisferio cerebral completo en 3D.

Un avance “fascinante”

La nueva técnica del MIT promete tener un gran impacto en la comunidad científica internacional. “La verdad es que parece un avance considerable en el ámbito de la neuroimagen, porque permite la visualización en detalle a casi todas las escalas; es decir, que puedes obtener a la vez información molecular, celular, tisular y a nivel de órgano, o sea, una visión holística del cerebro”, comenta José Ángel Morales García, neurobiólogo de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), en declaraciones a El Confidencial.

“Me parece fascinante que se pueda caracterizar a las células en términos de morfología, conectividad, citoarquitectura y hasta perfiles de expresión molecular”, destaca el neurocientífico. Aunque los métodos de neuroimagen actuales “cada vez son más sofisticados”, esta nueva técnica “combina resolución y velocidad de adquisición de imágenes”. El experto español explica que la innovación del MIT va a permitir comprender mejor las interacciones entre los distintos tipos celulares y regiones cerebrales, “lo cual es fundamental para el estudio, por ejemplo, de las enfermedades neurodegenerativas”. Las utilidades pueden ser “infinitas”, asegura.

No obstante, destaca la posibilidad de “mapear las conexiones nerviosas en detalle a nivel de fibra única”. Es decir, mientras que antes las técnicas de neuroimagen permitían observar “todo el paquete de fibras y conexiones”, ahora “vamos a ver las fibras de manera individual y en todo el cerebro”. García Morales explica las ventajas de esos detalles poniendo como ejemplo sus propias investigaciones. “Llevándolo a mi terreno, y si funcional tal y como se describe, nos va a permitir analizar en mucho más detalle las características patológicas de enfermedades como el párkinson, a todos los niveles, desde molecular hasta anatómicamente y, encima, de forma más rápida y con más resolución”, comenta.

En el caso concreto que presentan en Science, los investigadores aplican su técnica al alzhéimer y muestran cómo el cerebro de la persona que tenía esta enfermedad presenta una mayor pérdida de neuronas dentro de una porción de tejido concreta, la corteza orbitofrontal, que el caso que sirve de control. “Identificamos regiones del cerebro con una pérdida neuronal sustancial”, explica Chung, y a partir de ahí, “utilizamos muchos marcadores diferentes para caracterizar y ver las relaciones entre los factores patógenos y los diferentes tipos de células”. Así, vieron que la pérdida de sinapsis se centraba en áreas donde existían placas amiloides, mientras que en otras zonas las conexiones entre neuronas eran similares. La tecnología que han creado, que definen como una “tubería” que penetra hasta el último rincón del cerebro, “nos permite tener acceso casi ilimitado al tejido”, asegura el autor, “y siempre podemos volver atrás y mirar algo nuevo”.

Soñando con hacerlo en vivo y en otros tejidos

A medida que se analicen muchos más cerebros (un proceso que promete ser muy rápido a partir de ahora), será posible crear muchas muestras representativas de diferentes sexos, edades, enfermedades y otros factores condicionantes que permitan establecer comparaciones sólidas y con un gran poder estadístico. Los neurocientíficos tendrán en sus manos una especie de banco de cerebros virtual con imágenes completas que podrán analizar y reetiquetar para diferentes estudios, un tesoro que puede dar paso a grandes avances.

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Por el momento, este nuevo método permite analizar al detalle los cerebros de personas que han fallecido y habían decidido donar este órgano. Por eso, “la única pega que le veo es que se ha hecho en cerebros post mortem, lo cual no resta valor al trabajo, pero si limita sus aplicaciones”, apunta el investigador de la UCM. No obstante, probablemente este avance “dará pie a mejorar la técnica para poder hacerlo in vivo en el futuro”, destaca. Eso ya supondría una revolución indescriptible en el mundo de las neurociencias, pero, de momento, estamos ante un salto previo e imprescindible que no tiene precedentes.

Por otra parte, los autores explican que esta misma metodología podría utilizarse para estudiar otros tejidos y órganos, lo que tendría un gran interés en la biomedicina en general, especialmente teniendo en cuenta el poder de resolución de este nuevo instrumento científico. “Prevemos que esta plataforma tecnológica escalable va a mejorar nuestra comprensión de las funciones de los órganos humanos y de los mecanismos por los que se producen las enfermedades, lo que estimulará el desarrollo de nuevas terapias”, aseguran.