Científicos entrenan neuronas para estudiar el funcionamiento de la memoria

Este estudio, realizado in vitro y a cargo de una investigadora brasileña de la George Mason University, fue presentado durante el 4th BRAINN Congress

Por Karina Toledo, de Campinas  |  Agência FAPESP – ¿Las neuronas cultivadas in vitro serían capaces de aprender? Los resultados de experimentos realizados en la George Mason University (GMU), en Estados Unidos, sugieren que sí.

La encargada de tal “entrenamiento” neuronal es la brasileña Nathalia Peixoto, docente del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación de la GMU y exbecaria de la FAPESP. El objetivo de la investigación consiste en avanzar en la comprensión del funcionamiento del cerebro –en particular en lo atinente a los mecanismos relacionados con la memoria– en condiciones normales y también en lo atinente a enfermedades tales como el Alzheimer y la epilepsia.

Peixoto abordó este tema a finales del mes de marzo, durante el 4th BRAINN Congress, un evento organizado en la Universidad de Campinas (Unicamp), en el estado de São Paulo, por el Instituto Brasileño de Neurociencia y Neurotecnología (BRAINN), un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) que cuenta con el apoyo de la FAPESP.

“La comprensión de la dinámica del cerebro in vivo en estados normales y patológicos constituye uno de los grandes desafíos actuales de la ciencia. Pero la complejidad del funcionamiento cerebral puede volver inviable la solución de este problema. Por tal motivo, hemos apuntado a desarrollar modelos experimentales y computacionales que hagan posible este estudio en un escenario más sencillo y controlado”, explicó la científica.

En el laboratorio de Peixoto, se ponen a crecer neuronas de la corteza frontal y de la médula espinal extraídas de embriones de ratones en una placa de vidrio con una matriz de microelectrodos. Estos dispositivos tienen la función de registrar las señales eléctricas emitidas por las células nerviosas (los impulsos nerviosos o potenciales de acción) y también de estimularlas eléctricamente cuando sea necesario.

Las células permanecen en una incubadora a 37°C y con alta humedad hasta que –al cabo de tres semanas aproximadamente– empiezan a organizarse en forma de redes neuronales, intercambiando información mediante sinapsis químicas y eléctricas. Algunos días después, se pone en marcha el entrenamiento mediante estimulación eléctrica.

“En ese estadio nos encontramos con el llamado brain in a dish, el cerebro en el plato”, bromeó Peixoto. “Inicialmente, se estimula a las células con un campo eléctrico de baja frecuencia para registrar el nivel de respuesta. Luego aplicamos una señal de entrenamiento de alta frecuencia y observamos una respuesta de las neuronas mucho más intensa. Cuando volvemos al nivel anterior de estimulación [de baja frecuencia], nos damos cuenta de que las células exhiben una sensibilidad aumentada. Es como si mantuvieran la memoria de la señal de entrenamiento.”

Se están llevando adelante pruebas tendientes a investigar hasta qué punto las neuronas en cultivo logran reconocer patrones de estimulación eléctrica. Uno de estos patrones consiste en activar los microelectrodos siguiendo una secuencia predeterminada, de manera tal de formar una letra. El objetivo es descubrir si al cambiar de letra la respuesta de las neuronas también varía de acuerdo con un determinado patrón, algo análogo a una conversación.

En otro experimento, el grupo de Peixoto sumó al cultivo de neuronas agregados de la proteína beta-amiloide –la misma sustancia que se halla en el cerebro de los portadores de Alzheimer– y observó que esto perjudicó la actividad eléctrica de las células.

“En un solo día, las neuronas dejaron de generar potenciales de acción, lo que impidió la realización de las pruebas de memoria. Evaluamos entonces cuáles son los tipos de beta-amiloide que más afectan a los cultivos. En general, son los tipos que los pacientes con la enfermedad presentan y que forman placas”, dijo Peixoto.

El grupo pretende ahora poner a prueba alternativas potencialmente capaces de recuperar la actividad eléctrica de las neuronas.

“Datos existentes en la literatura científica indican que una sustancia presente en la cúrcuma es muy buena para postergar el desarrollo de las placas beta-amiloides. Existe la hipótesis de que quizá sea posible recuperar la actividad normal del cerebro en caso de que se encuentre protegido contra la formación de placas. Pretendemos testear esto, para probar que la capacidad de memoria se mantiene intacta”, dijo la investigadora.

Según la científica, su objetivo como ingeniera –graduada en la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo– consiste en intentar “arreglar lo que se ha roto”. Por ese motivo, apunta a elaborar modelos in vitro de enfermedades que afectan al cerebro para intentar revertir las condiciones patológicas mediante la aplicación de campos eléctricos o magnéticos.

“Ya sabemos que en el caso del Parkinson es posible controlar síntomas tales como los temblores mediante la aplicación de la terapia de estimulación cerebral profunda. Pero no sabemos por qué esto ocurre a ciencia cierta. Por eso pretendemos estudiar mejor los efectos de la estimulación eléctrica de las neuronas y emplear esta metodología para efectuar la medición de sustancias químicas tales como la dopamina, el ácido ascórbico y el ácido úrico en el cerebro”, dijo.

Otra línea de investigación que coordina la brasileña en la GMU tiene por objeto el desarrollo nuevos tipos de electrodos para su uso en dispositivos de estimulación cerebral profunda (ECP o DBS, de Deep Brain Stimulation). Además de aplicarse en el Parkinson, esta terapia se ha venido estudiando en la recuperación de personas que han sufrido accidentes cerebrovasculares (ACV) y en el tratamiento de la depresión, el dolor crónico y el trastorno obsesivo-compulsivo.

“Comúnmente, la estimulación cerebral profunda se efectúa con electrodos elaborados con platino e iridio. Nosotros estamos testeando in vitro nanotubos de carbono y también un polímero conductor conocido como PEDOT [poli(3,4-etileno dioxitiofeno)]. Nuestro objetivo es disminuir la resistencia de los electrodos para que la estimulación se vuelva menos agresiva para las células, y aumentar el tiempo de batería del aparato”, comentó.

Para construir puentes

En entrevista concedida a Agência FAPESP, Peixoto comentó que su participación en el evento organizado por el BRAINN suscitó un gran interés en colaborar con el grupo con sede en la Unicamp.

Según el coordinador del CEPID, Fernando Cendes, éste es precisamente uno de los objetivos del congreso, que ha venido realizándose en la Unicamp durante los últimos cuatro años.

“Inicialmente, el evento empezó como un workshop cuya propuesta consistía en difundir los proyectos realizados en el marco del BRAINN, que son conocidos por toda la comunidad del consorcio, que es muy grande. También incluimos a investigadores invitados con la intención de mostrar los avances que se vienen haciendo en las áreas de investigación que abarca el CEPID y tender puentes de comunicación con científicos de otros países para fomentar la colaboración”, sostuvo Cendes.

Otro conferencista invitado en esta última edición del evento –quien ha sido un asiduo colaborador del BRAINN– fue Richard Frayne, docente de la Facultad de Medicina de la Universidad de Calgary, en Canadá. Su grupo ha empleado técnicas de resonancia magnética nuclear para analizar cambios morfológicos y funcionales en pequeños vasos del cerebro con el objetivo de entender los mecanismos relacionados con el envejecimiento sano y la demencia.

“Mediante ejercicios y dieta, vemos que esos cambios funcionales en los pequeños vasos del cerebro se desaceleran. Desafortunadamente, no podemos detener este proceso, pero existen muchas cosas que pueden hacerse para atrasar la demencia y promover un envejecimiento más digno. Desde el punto de vista vascular, todo lo que es malo para el corazón –el cigarrillo, el alcohol, el sedentarismo y la dieta occidental– también constituye un factor de riesgo para la salud cerebral”, afirmó Frayne.