Activitat cerebral a la llum
2022/03/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Les neurones treballen en grup, no en solitari. I és que per comprendre el funcionament del cervell no n'hi ha prou amb investigar les neurones de forma individual. “No és com en un ordinador, on la informació passa pels transistors, i en cadascun d'ells es produeix la computació”, afirma Aitzol Garcia -Etxarri, investigador del DIPC. “Les idees encenen grups neuronals. Quan pensem en l'àvia, per exemple, només s'activa un grup neuronal i aquest grup neuronal. Els neuròlegs estan fent molts descobriments avui dia, però, tanmateix, no entenem com computem això”.
“No existeix una teoria general acceptada per saber com funciona el cervell. I estem lluny d'això”, ha afirmat Rafael Yuste, neuròleg de la Universitat de Columbia, referent mundial de la recerca cerebral, que col·labora amb Garcia -Etxarri en la recerca. Yuste, lidera el projecte BRAIN, que pretén fer un mapa de l'activitat del cervell humà.
“El cervell s'ha investigat molt a nivell cel·lular i molecular”, explica Yuste. “Sabem molt d'això: com funcionen les neurones individualment, quines molècules tenen, quines propietats biofísiques tenen, etc. I sabem també les connexions entre neurones. S'ha estudiat intensament la plasticitat sináptica, el funcionament de les sinapsis. Però com s'acoblen les activitats dels grups neuronals i què fan junts... Això és una altra cosa. Aquí tenim un gran buit de saviesa”.
I la visualització de l'activitat dels grups neurona pot ser una clau per començar a comprendre alguns processos. Com es guarden les idees? O com funcionen les memòries a llarg termini i a curt termini? Com aprenem? O què ocorre en cada malaltia neurològica? Són preguntes grans i tal vegada la resposta no estigui emmagatzemada en els patrons d'activitat del cervell, però, de moment, els científics volen veure aquesta activitat físicament. I per aconseguir-ho han recorregut als físics.
“La línia d'estudi es diu NanoNeuro, perquè conjumina nanociència i neurociència. Al final volem fabricar nanoherramientas que puguin ser utilitzades en el cervell”, explica Yuste.
Veure activitat
El propi Yuste va inventar un nou mètode de recerca cerebral: la representació amb calci (calcium imaging). Aquest mètode es basa en la fluorescència de les neurones mitjançant l'addició de proteïnes de fluorescència en la pròpia membrana neuronal. Gràcies a aquestes proteïnes, quan la neurona absorbeix o aboca calci, cada neurona emet un raig de llum. I la dinàmica del calci està relacionada amb l'activitat de la neurona. L'addició d'aquestes proteïnes en totes les neurones permet conèixer el funcionament simultani de milers de neurones.
“El mètode de Yuste té un problema”, afirma García Etxarri. “L'addició de proteïnes fluorescents requereix canvis genètics en les neurones perquè la pròpia neurona sintetitzi les proteïnes. Això és útil per la recerca de laboratori, però aquests canvis genètics no poden fer en una persona viva. Els canvis genètics no estan permesos en l'actualitat i espero no autoritzar-los mai”.
Existeixen mètodes alternatius per representar l'activitat cerebral, però no representen realment l'activitat elèctrica de les neurones. D'una banda, a través de la ressonància magnètica nuclear funcional (RMNf) s'observa l'hemorràgia cerebral, és a dir, la quantitat de sang i els llocs en els que el cervell “demana” durant el treball. D'altra banda, la tomografia per positrons (PET) mostra el consum de glucosa en el cervell, és a dir, serveix per elaborar un mapa de la demanda energètica de les neurones. No obstant això, en cap dels dos casos s'obté una imatge de l'activitat directa.
Tanmateix, en l'equip del DIPC es proposa una nova solució: la llum i l'ús de nanopartícules. “El DIPC té una gran tradició en la recerca de la nanofotònica”, explica García Etxarri. “La nanofotònica és la recerca de la interacció entre la llum i les nanopartícules. En aquest cas podem desenvolupar dues línies de recerca utilitzant la nanofotònica”.
En cada línia d'estudi deuen utilitzar un nanotipo, ja que tenen un objectiu propi. D'una banda, utilitzaran els punts quàntics per visualitzar l'activitat de les neurones. D'altra banda, pretenen utilitzar nanopartícules d'or per generar activitat en neurones.
Manipulació del color de la llum
Els punts quàntics es van trobar fa molt temps, en lletres. En realitat funcionen com gairebé qualsevol molècula. Els seus electrons estan distribuïts en nivells, segons l'energia. Quan la llum colpeja una molècula, si té l'energia adequada (és a dir, té el color adequat), un electró pot saltar a un nivell de major energia. Tanmateix, aquest electró tornarà al nivell original alliberant energia addicional en forma de llum. Emetrà llum. Tanmateix, si aquesta molècula és un punt quàntic és sensible als camps electromagnètics que l'envolten; mitjançant l'ús de camps electromagnètics, els nivells d'energia dels electrons poden ser majors o menors, controlant la quantitat d'energia que emet. Finalment es pot manipula el color de la llum que emet.
La proposta del DIPC és que l'electricitat que acompanya a l'activitat de les neurones sigui utilitzada com camp electromagnètic de la zona. “Les neurones funcionen amb senyals elèctrics”, explica García Etxarri. “Si peguem un punt quàntic en la membrana de la neurona, independentment que la membrana tingui o no activitat, el color que emet canvia en saltar els electrons”. Els investigadors il·luminaran la neurona amb llum infraroja i la neurona retornarà la llum visible i, en funció del color de la llum, sabran si aquesta neurona està activa o no. Per això, els punts quàntics són eines nanoscópicas apropiades per llegir l'activitat dels grups neuronals.
Or i calor
Llegir l'activitat dels grups neuronals és un gran pas, però això no és suficient per la recerca. El segon objectiu del projecte és impulsar aquesta activitat. Mitjançant l'activació de determinades neurones, els neuròlegs volen analitzar com respon el cervell. Per això també necessiten físics. De fet, el segon objectiu dels físics del DIPC és desenvolupar una eina que estimuli l'activitat en determinades neurones; una eina que treballi de forma molt concreta, una eina que activa les neurones individualment en cas de necessitat.
La idea és senzilla. Igual que una lupa concentra la llum del Sol, volen utilitzar partícules que exerceixen aquest mateix efecte a escala nanoscópica. I el material adequat per això és l'or. “Els hem cridat nanolups d'or. Quan sona la llum poden concentrar els raigs en un punt més petit que qualsevol lupa que puguem fabricar. El lloc on es concentren els raigs s'escalfa i aquesta calor fa que les neurones s'activin”, ha explicat García Etxarri.
“Aquest camí no ha estat encara tractat”, afirma Yuste. “Hi ha dos treballs anteriors, un d'un equip de Chicago i altre del nostre laboratori de Nova York. En aquests treballs s'han emprat nanopartícules d'or per generar activitat en neurones. Nosaltres ho vam fer en ratolins i hidres (animals amb sistema nerviós molt simple). Aquests experiments demostren que aquest plantejament del projecte pot ser raonable”. Però cal anar més enllà. Aquests experiments eren nanopartícules comercials i no estructures dissenyades de forma natural. Aquest és l'objectiu del projecte NanoNeuro, que consisteix en sintetitzar les partícules naturals per poder produir l'efecte concret que desitgen amb elles.
Per descomptat, per això deuen dissenyar i construir nanopartícules. Després, perquè s'associïn amb les neurones, deuen cobrir-ne amb unes estructures moleculars. I finalment, igual que s'ha fet amb qualsevol material que entra dins del cos humà, han d'investigar la biocompatibilitat perquè no produeixin cap efecte nociu. Per tant, la idea senzilla de la nanolup tindrà una llarga recerca per poder desenvolupar.
Tot alhora
Si la recerca llança resultats, tanmateix, s'obtindran dues nanopartícules, una per llegir l'activitat de les neurones i altra per estimular el lloc en el que es desitja. Però els científics no volen treballar amb dos nanoformas. “El nostre objectiu és dissenyar una única nanopartícula amb totes dues propietats alhora. Si ho aconseguim, tindrem un dispositiu capaç de llegir i incidir en l'activitat cerebral”.
Aquest és l'objectiu final, almenys en la part que es farà en el DIPC. El projecte està ja sobre la mesa i obert una nova línia de recerca. “Mai se'ns ha ocorregut que les propietats d'aquestes nanopartícules poden aplicar també a les neurociències”, afirma García Etxarri. “És una cosa que sabem fer molt bé, però volem utilitzar-ho en una aplicació totalment diferent. És interessant aplicar una cosa que sabem en un àmbit que no coneixem”.
Posteriorment, l'equip de Rafael Yuste investigarà aquesta aplicació en la Universitat de Columbia. Per Yuste, molts dels avanços científics es deuen al desenvolupament de nous mètodes. I precisament espera que l'eina desenvolupada en Sant Sebastià suposi una petita revolució en la recerca cerebral. El temps ho dirà.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
