Eso podría cambiar pronto. Según informan investigadores de Stanford el 12 de diciembre en Light: Science and Applications, han desarrollado una forma de observar cómo las células cerebrales envían señales eléctricas utilizando sólo luz, unas cuantas lentes y otros elementos ópticos, y una cámara de vídeo rápida.
La clave del nuevo enfoque, dijo Daniel Palanker, profesor de oftalmología y autor principal del nuevo artículo, es que cuando las neuronas disparan señales eléctricas cambian sutilmente de forma. Ese cambio a escala nanométrica puede medirse mediante técnicas ópticas.
Hasta ahora, Palanker, Tong Ling, becario postdoctoral y autor principal del nuevo artículo, y sus colegas han medido esos minúsculos cambios de forma en redes de células similares a las neuronas en una placa de laboratorio. Ahora están adaptando sus métodos para estudiar las neuronas en el cerebro de animales vivos. Si esto funciona, podría conducir a una forma más natural de estudiar al menos algunas partes del cerebro.
«Es todo natural, sin marcadores químicos, sin electrodos, nada. Son sólo células tal y como son», dijo Palanker, que es miembro de Stanford Bio-X y del Instituto de Neurociencias Wu Tsai.
La forma de las cosas
Cuando las neuronas se disparan pasan muchas cosas. Está, por supuesto, la propia señal eléctrica, que puede ser captada por los electrodos. También hay cambios químicos, que pueden detectarse mediante moléculas fluorescentes que se iluminan cuando una neurona se dispara.
Y luego está la forma. Los investigadores se dieron cuenta por primera vez de que las neuronas cambian de forma al estudiar las neuronas del cangrejo de río hace más de 40 años. En 1977, un equipo de investigadores de Stanford y de la UCSF hizo rebotar un láser en una neurona de cangrejo de río mientras se disparaba y demostró que su anchura cambiaba aproximadamente en el grosor de una hebra de ADN humano.
Pero trasladar esos resultados a una forma de observar ópticamente las neuronas que se disparan en cerebros humanos o de otros mamíferos supuso una serie de retos. Por un lado, las neuronas de los cangrejos de río son entre 10 y 100 veces más gruesas que las de los mamíferos. Por otro, la técnica que utilizó el grupo original -una forma sencilla de lo que se llama interferometría- sólo puede medir los cambios en un solo punto a la vez, lo que significa que podría utilizarse para estudiar sólo una pequeña área de una célula a la vez, en lugar de obtener imágenes de toda la célula o incluso de una red de neuronas que se comunican entre sí en el cerebro.
Las neuronas se iluminan de nuevo
Para resolver algunos de estos problemas, Ling, Palanker y sus colegas recurrieron primero a una variante de la interferometría estándar llamada microscopía de fase cuantitativa, que permite a los investigadores cartografiar paisajes microscópicos completos, por ejemplo, el paisaje de una red de células dispuestas en una placa de cristal. La técnica es lo suficientemente sencilla como para que se pueda llevar a cabo haciendo brillar luz láser a través de esas células, haciéndola pasar por unas cuantas lentes, filtros y otros elementos ópticos y filtros, y grabando el resultado con una cámara. Esa imagen se puede procesar para crear un mapa topográfico de las células.
Ling, Palanker y el equipo razonaron que podrían utilizar la técnica para medir cuánto cambian de forma las neuronas cuando se disparan. Para probar la idea, cultivaron una red de células similares a las neuronas en una placa de cristal y utilizaron una cámara de vídeo para grabar lo que sucedía cuando las células -en realidad, células derivadas del riñón modificadas para comportarse más como neuronas- se disparaban. Al sincronizar el vídeo con las grabaciones eléctricas y promediar varios miles de ejemplos, el equipo creó una plantilla que describe cómo se mueven las células cuando se disparan: a lo largo de unos cuatro milisegundos, el grosor de las células aumenta unos tres nanómetros, un cambio de aproximadamente una centésima de 1 por ciento. Una vez que alcanza el máximo grosor, la célula tarda aproximadamente otra décima de segundo en volver a encogerse.
Observando el trabajo de las células cerebrales
En la fase inicial del experimento, el equipo necesitaba electrodos para averiguar cuándo se disparaban las células. En la segunda fase, los miembros del equipo demostraron que podían utilizar su plantilla para buscar e identificar los disparos de las células sin depender de los electrodos.
Aún así, hay que dar una serie de pasos antes de que el equipo pueda hacer funcionar el método en cerebros reales. En primer lugar, el equipo tendrá que hacer que la técnica funcione en neuronas reales, a diferencia de las células similares a las neuronas que han observado hasta ahora. «Las neuronas son más quisquillosas», dijo Palanker, pero el equipo ya ha empezado a experimentar con ellas.
Un segundo reto es que las neuronas de los cerebros reales no están dispuestas en una sola capa sobre una placa de vidrio, como las células que estudió el laboratorio de Palanker. En particular, el equipo no puede hacer brillar los láseres a través del cerebro y esperar que salga algo del otro lado, y mucho menos datos útiles. Afortunadamente, dijo Palanker, las técnicas que utilizaron con la luz transmitida funcionan de forma similar con la luz reflejada, y la mayoría de las neuronas reflejan suficiente luz como para que el enfoque funcione en teoría.
Hay una limitación que el equipo probablemente no podrá sortear: como la luz no penetra profundamente en el cerebro, el nuevo método sólo podrá sondear las capas externas. Aun así, para los proyectos que sólo necesiten estudiar estas capas, la técnica podría ofrecer a los investigadores una forma más limpia y sencilla de estudiar el cerebro.
«Normalmente, los métodos invasivos afectan a lo que hacen las células, con lo que las mediciones son menos fiables», dijo Palanker. «Aquí no se hace nada a las células. Básicamente, se observa cómo se mueven».