Cómo estudiar el cerebro utilizando calamares

El estudio del cerebro siempre ha sido un tema espinoso, pero en un momento dado, los calamares consiguieron que la neurociencia y las matemáticas se unieran revolucionando la ciencia.

Calamar caribeño de arrecife (Sepioteuthis sepioidea)
Calamar caribeño de arrecife (Sepioteuthis sepioidea)Betty Wills

Hay quien dice que todo son matemáticas y que “el universo está escrito en el lenguaje de los números”. Puede que incluso ese último “alguien” fuera el mismísimo Galileo Galilei, pero oponiéndose a él está un buen elenco de filósofos de la ciencia, esas personas que no suelen caer en gracia ni a los filósofos ni a los científicos. Cuanto menos, la afirmación de Galileo es aventurada, pero que nadie me malinterprete, las matemáticas son una de las mejores herramientas con las que contamos para tratar de entender el mundo que nos rodea.

Porque lo que ocurre a nuestro alrededor produce cambios que podemos medir. Y lo bueno es que, si podemos medir algo, como la velocidad de una corriente marina, la flexibilidad de las articulaciones de un corredor de fondo o la forma del ala de un 747, podemos convertir toda esa información en valores numéricos, en dígitos con los que trabajar y construir “réplicas” matemáticas de lo que queremos estudiar: modelos. Con ellos podemos predecir desde la trayectoria de una piedra lanzada al aire, hasta el crecimiento y colapso de una población de animales. La clave es tener los datos y saber cómo se relacionan entre sí.

Esta idea fue la que desposó a uno de los matrimonios más interesantes de la ciencia, uniendo a las matemáticas con el estudio del cerebro humano. Aunque posiblemente, la mejor forma de explicarlo sea empezando por el principio. Eran los años 30 e Inglaterra vivía un periodo de entre guerras.

Una cuestión de tamaño

Dos hombres estaban pensando. Le daban vueltas a un problema que les traía de cabeza. Ambos eran genios de su tiempo, biofísicos dedicados a estudiar el funcionamiento del cuerpo humano, y en este caso, de nuestro cerebro. Ya hacía tiempo que Galvani había revelado la naturaleza eléctrica de nuestro cerebro o desde que Ramón y Cajal había presentado la neurona al mundo. Estaba bastante asumido que nuestro sistema nervioso (cerebro, cerebelo, tronco del encéfalo, médula y nervios) estaba formado por células con aspecto arborescente llamadas neuronas, entre las cuales, se transmitían información a través de unas corrientes eléctricas que recorrían sus “ramas”.

Neurona piramidal teñida con proteína verde fluorescente
Neurona piramidal teñida con proteína verde fluorescenteWei-Chung Allen Lee

Todo eso estaba claro, lo que nuestros protagonistas querían saber exactamente era el cómo. ¿De dónde salía esa electricidad que nos hacía sentir, movernos o pensar? Las sospechas de los científicos estaban puestas en el intercambio de iones de sodio. Creían que, estos átomos cargados positivamente, entraban a raudales en la neurona cuando esta era estimulada eléctricamente, siendo los responsables de que esa electricidad se propagara. La forma de comprobarlo era medir con total precisión el interior de la neurona. Parece una tarea sencilla, no en vano, nuestros protagonistas eran biofísicos, eran conscientes de la tecnología ideal para conseguirlo. Sin embargo, el problema era mucho más mundano, prácticamente una cuestión de calibres.

Una neurona típica, de esas que salen en los libros de texto tiene una especie de ramas llamadas dendritas, que reciben el impulso eléctrico de otras neuronas y lo envían al cuerpo, una estructura más gruesa donde los distintos impulsos se suman (o restan, u otras cosas que no vienen al caso). Una vez aquí, el impulso desciende por una larga, larguísima estructura llamada axón, que puede recordarnos al tronco de un árbol y cuyas terminaciones son las encargadas de pasar el relevo a otras neuronas.

Teniendo en cuenta este viaje hay dos cosas claras. Una: si queremos medir las propiedades eléctricas de una neurona tendrá que ser una vez pasemos su cuerpo, tras hacer todas esas sumas y cosas que no nos interesan demasiado para este artículo. Y dos: tendremos que pinchar su superficie para poder calcular la diferencia de carga eléctrica entre su interior y el entorno donde se encuentra la neurona. Y ese era el problema, porque los dichosos axones de nuestras neuronas miden apenas 0,1 milímetros y si pretendían pinchar eso con sus pipetas de cristal se produciría una verdadera carnicería celular. Necesitaban algo más grande, muchísimo más grande, y lo encontraron. Aquellos dos hombres pensativos dieron con un animal de axones gigantes, fácil de encontrar y barato: un calamar.

Calamares electrocutados

Va siendo hora de poner nombre a nuestros protagonistas. Se trata de Hodgkin y Huxley. Puede que sus nombres os resulten familiares, pero no se trata del Hodgkin que descubrió el famoso linfoma de Hodgkin ni del Huxley que escribió “Un mundo feliz” o el que defendió al bueno de Darwin como su bulldog personal. No obstante, todos ellos eran sus parientes, lo cual puede parecer curioso, pero cuando el dinero es un requisito para acceder a la educación superior, estas casualidades se vuelven… menos casuales.

Loligo media visto respectivamente desde abajo y desde arriba (dibujado por I. Gartis en 1852)
Loligo media visto respectivamente desde abajo y desde arriba (dibujado por I. Gartis en 1852)I. Gartis (nombre del dueño)Dominio Público

Volviendo a lo que nos compete. Hodgkin y Huxley acababan de encontrar una solución, las neuronas de los calamares. Concretamente los del género Loligo, cuyos axones tienen un grosor que alcanza el milímetro, 100 veces más anchos que los humanos. Ahora si podían clavar sus aparejos para medir lo que ellos querían y ensartaron el axón de unos cuantos calamares. Pero hay mucho más, porque normalmente, la superficie de un axón es un sin Dios en el que ocurren todo tipo de procesos bioquímicos y eso limitaba nuestras mediciones. Sin embargo, la tecnología que habían desarrollado nuestros protagonistas permitía hacer estable a la convulsa membrana y “congelarla” para ver qué ocurría en ella en cada momento. Aquello prometía arrojar mucha luz sobre las neuronas, y lo cierto es que los resulta que obtuvieron cambiaron la neurociencia para siempre.

Un viaje químico de ida y vuelta

Resulta, que Hodgkin y Huxley descubrieron que, cuando la neurona está en reposo, su interior es más negativo que su exterior. Unos -75 milivoltios para ser exactos. Sin embargo, si aplicaban una descarga en el axón, este empezaba a llenarse de iones de sodio, haciendo que esos -70 milivoltios se volvieran algo más positivos. De hecho, si conseguían elevarlos unos 15 milivoltios (aproximadamente hasta los -55) la membrana se “disparaba” transmitiendo el impulso, tal como debería ocurrir en una neurona funcional. Este disparo dejaba entrar todavía a más iones de sodio llevando la neurona hasta los 40 milivoltios. A esto le llamaron “potencial de acción”, pero el viaje no se acaba aquí, fueron un poco más allá.

Descubrieron que tan pronto como todo ese sodio empezaba a entrar a raudales, algunos iones positivos de potasio hacían el viaje contrario, abandonando la célula. Al principio, la salida de potasio era contrarrestada por la de sodio (o para ser más visuales, como dice el cómico José Mota “las gallinas que entran por las que salen”). Sin embargo, llega un momento en que el sodio deja de entrar y la salida desbocada de potasio devuelve a la neurona a territorios negativos, más negativos incluso que cuando todo esto empezó, en torno a los -80 milivoltios. Es tan negativa, de hecho, que durante un tiempo no hay nada que hacer. Se vuelve casi imposible que un estímulo consiga elevarla lo suficiente como para superar el umbral de los -55 milivoltios y que se dispare de nuevo un potencial de acción, la neurona ha entrado en lo que se llama “periodo refractario”.

Esquema de las fases de un potencial de acción. 1: Estado de reposo. 2: Apertura de los canales iónicos. 3: Cierre de los canales iónicos. 4: Salida del periodo refractario.
Esquema de las fases de un potencial de acción. 1: Estado de reposo. 2: Apertura de los canales iónicos. 3: Cierre de los canales iónicos. 4: Salida del periodo refractario.Peter Duncan

De no saber nada, Hodgkin y Huxley pasaron a crear el primer modelo de un potencial de acción neuronal. Todavía no sabían que la entrada y salida de iones se debía a pequeños canales insertados en las membranas neuronales, pero lo predijeron. Con todos los números que habían conseguido diseñaron un modelo de las propiedades eléctricas de la neurona. Como si fuera un circuito con sus resistencias, sus baterías y un capacitor. No era perfecto, pero representaba con mucho acierto aquel complejo baile de cargas que experimentaba la neurona. Ahora, el funcionamiento de las células que formaban nuestro cerebro estaba definido en un lenguaje matemático y se había convertido en una herramienta potentísima que nos permitiría comprender cómo funcionaban exactamente.

Este estudio fue fundacional y de él nacieron muchos otros que afinaron el modelo, integrando la relación entre varias neuronas conectadas en redes. Hoy utilizamos muchas de sus ideas para crear simulaciones digitales de neuronas, redes e incluso grandes estructuras cerebrales, como hace el proyecto Blue Brain. Gracias a ellos entendemos mejor que nunca lo que ocurre en ese misterioso amasijo de células que tan pronto escribe Hamlet como compone un reggaetón, y aunque todavía nos queda muchísimo camino por recorrer en neurociencia, al fin lo estamos haciendo de la mano de la herramienta más potente de la humanidad: las matemáticas.

QUE NO TE LA CUELEN:

  • Los calamares que usaron Hodgkin y Huxley no eran calamares gigantes, como muchos afirman. Eran calamares con axones gigantes. De hecho ¿cómo iban a conseguir calamares gigantes a voluntad a mediados del siglo XIX?
  • Hoy en día el estudio de las funciones cerebrales y la conducta humana no puede limitarse a modelos matemáticos, pero eso no quiere decir que dichos fenómenos no tengan una explicación científica o que estén basados en conceptos inmateriales como el alma o el espíritu.
  • Una neurona no tiene memoria, atención o sentidos, pero eso se debe a que son propiedades emergentes que surgen al unir muchos bloques básicos, muchas neuronas. Del mismo modo, un engranaje de un reloj no da la hora, pero eso no quiere decir que no sea una pieza indispensable.
  • Una red neuronal artificial de las que se utilizan para crear inteligencias artificiales no representa el funcionamiento del sistema nervioso. Esto último se estudia con modelos biológicamente más exactos, aunque menos funcionales, las redes neuronales naturales.

REFERENCIAS (MLA):