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Charla «Pañales para bebés inspiraron esta nueva forma de estudiar el cerebro» de TEDSummit en español.
El neuroingeniero Ed Boyden quiere saber cómo las pequeñas biomoléculas del cerebro generan emociones, pensamientos y sentimientos, y quiere encontrar los cambios moleculares que conducen a trastornos como la epilepsia y el Alzheimer. En lugar de ampliar estas estructuras invisibles al microscopio, se pregunta: ¿Qué pasaría si las ampliáramos físicamente y las hiciéramos más fáciles de ver? Aprende cómo los mismos polímeros utilizados para hinchar pañales para bebés podrían ser una clave para entender mejor nuestro cerebro.
- Autor/a de la charla: Ed Boyden
- Fecha de grabación: 2016-06-26
- Fecha de publicación: 2016-07-21
- Duración de «Pañales para bebés inspiraron esta nueva forma de estudiar el cerebro»: 795 segundos
Traducción de «Pañales para bebés inspiraron esta nueva forma de estudiar el cerebro» en español.
Hola a todos.
Hoy traje un pañal de bebé.
Ya verán por qué en un segundo.
Los pañales tienen propiedades interesantes.
Pueden hincharse enormemente al agregarles agua; millones de niños realizan este experimento cada día.
(Risas)
Esto se debe a que tienen un diseño muy inteligente.
Están hechos de un material hinchable.
Es un material especial que, al agregarle agua, se hincha enormemente, quizá mil veces su volumen.
Es un polímero industrial muy útil.
En mi grupo del MIT tratamos de averiguar si podemos hacer algo similar con el cerebro.
¿Podemos expandirlo lo suficiente como para ver dentro los diminutos bloques de construcción, las biomoléculas, su organización tridimensional, la estructura, la verdadera estructura del cerebro, por así decirlo?
Si pudiéramos conseguirlo, quizá podríamos entender cabalmente cómo se organiza el cerebro para producir pensamientos, emociones, acciones y sensaciones.
Tal vez podríamos identificar los cambios exactos en el cerebro que dan lugar a enfermedades, enfermedades como el Alzheimer, la epilepsia y el Parkinson, para las que hay pocos tratamientos, y mucho menos curas, y de las que, muy a menudo, desconocemos la causa o el origen y lo que realmente las produce.
Nuestro grupo en el MIT trata de verlo desde un punto diferente al que lo estudió la neurociencia en los últimos cien años.
Somos diseñadores.
Somos inventores.
Tratamos de averiguar cómo construir tecnologías que nos permitan analizar y reparar el cerebro.
La razón es que el cerebro es extremadamente complicado.
Durante el primer siglo de neurociencia hemos aprendido que el cerebro es una red muy complicada, formada por células muy especializadas llamadas neuronas con geometrías muy complejas, y corrientes eléctricas que fluyen por estas neuronas en forma compleja.
Además, las neuronas están conectadas en redes.
Están conectadas por pequeñas cruces, las sinapsis, que intercambian químicos que les permiten hablar unas con otras.
La densidad del cerebro es increíble.
En un milímetro cúbico del cerebro hay unas 100 000 neuronas y quizá mil millones de conexiones.
Pero es peor.
Si pudiéramos ampliar una neurona y, claro, esta es una interpretación artística, podríamos ver miles y miles de tipos de biomoléculas, pequeñas máquinas a escala nanométrica organizadas en patrones complejos, 3D, y juntas medirían esos pulsos eléctricos, esos intercambios químicos que les permiten a las neuronas trabajar juntas para generar pensamientos, sentimientos, etcétera.
Pero no sabemos cómo se organizan las neuronas en el cerebro para formar redes, y no sabemos cómo se organizan las biomoléculas dentro de las neuronas para formar estas máquinas organizadas y complejas.
Si realmente queremos entender esto, vamos a necesitar nuevas tecnologías.
Pero si pudiéramos conseguir estos mapas, si pudiéramos mirar la organización de las moléculas y las neuronas y las neuronas y las redes, quizá podríamos entender realmente cómo el cerebro lleva información de las regiones sensoriales, la mezcla con la emoción y el sentimiento, y genera nuestras decisiones y acciones.
Quizá podríamos identificar el conjunto exacto de cambios moleculares que ocurren en un trastorno cerebral.
Y una vez que supiéramos cómo han cambiado estas moléculas, si han aumentado su número o cambiado de patrón, podríamos usar eso como objetivo para nuevos fármacos, para nuevas formas de entregar energía al cerebro, para reparar los cálculos cerebrales afectados en pacientes que sufren de trastornos cerebrales.
Hemos visto muchas tecnologías diferentes en el último siglo para tratar de resolver esto.
Creo que todos hemos visto imágenes del cerebro tomadas con máquinas de resonancia magnética.
Por supuesto, tienen el gran poder de no ser invasivas, se pueden usar en humanos vivos.
Pero también son espacialmente burdas.
Cada una de esas burbujas que ven, o voxels, como se les llama, puede contener millones y millones de neuronas.
Así que no tienen el nivel de resolución para determinar con precisión los cambios moleculares que ocurren, o los cambios en el cableado de estas redes que nos dan la capacidad de ser seres conscientes poderosos.
En el otro extremo, tenemos los microscopios.
Los microscopios, claro, usan la luz para mirar cosas diminutas.
Durante siglos, se han usado para mirar cosas como bacterias.
En neurociencia, fue el instrumento que permitió descubrir las neuronas en primer lugar, hace unos 130 años.
Pero la luz tiene serias limitaciones.
No se puede ver moléculas individuales con un antiguo microscopio típico.
No se puede ver esas pequeñas conexiones.
Por eso si queremos ver mejor el cerebro, para adentrarnos en su estructura primordial vamos a necesitar tener incluso mejores tecnologías.
Mi grupo, hace un par de años, empezó a pensar:
¿Por qué no hacemos lo contrario?
Si es tan complicado ampliar la vista del cerebro,
¿por qué no ampliar el cerebro?
En un principio comenzamos con dos estudiantes graduados de mi grupo, Fei Chen y Paul Tillberg.
Ahora muchos otros de mi grupo están ayudando en este proceso.
Decidimos averiguar si podíamos tomar polímeros, como los del pañal del bebé, e instalarlos físicamente dentro del cerebro.
Si pudiéramos hacerlo adecuadamente, y agregáramos agua, potencialmente podríamos expandir el cerebro y se podría distinguir esas pequeñas biomoléculas unas de otras.
Se podría ver esas conexiones y obtener mapas del cerebro.
Esto podría ser muy drástico.
Trajimos una pequeña demo.
Conseguimos material purificado del pañal del bebé.
Es mucho más fácil comprarlo por Internet que extraer los pocos granos que realmente tienen estos pañales.
Aquí pondré solo una cucharadita de este polímero purificado.
Y aquí tenemos un poco de agua.
Vamos a ver si esta cucharadita de material del pañal de bebé puede aumentar de tamaño.
Van a ver que aumenta de volumen en alrededor de mil veces ante sus propios ojos.
Podría verter mucho más de esto allí, pero yo creo que tienen la idea de que esta es una molécula muy, muy interesante, y que usada de manera correcta, nos permite hacer zoom en el cerebro como no era posible hacer con las tecnologías anteriores.
Bueno, ahora un poco de química.
¿Qué está ocurriendo en el polímero del pañal?
Si se pudiera hacer zoom, se podría ver algo como lo que se ve en la pantalla.
Los polímeros son cadenas de átomos dispuestas en líneas largas y delgadas.
Las cadenas son muy pequeñas, del ancho de una biomolécula, y estos polímeros son muy densos.
Están separados por distancias del tamaño de una biomolécula.
Esto es muy bueno porque podríamos potencialmente mover todo en el cerebro.
Si añadimos agua, sucederá que este material hinchable absorberá el agua, las cadenas de polímero se separarán unas de otras, y todo el material se expandirá.
Y como estas cadenas son tan pequeñas y están separadas por distancias biomoleculares, potencialmente podríamos inflar el cerebro y expandirlo hasta que sea visible.
Entonces, ese es el misterio:
¿Cómo construir estas cadenas de polímero dentro del cerebro para separar las biomoléculas?
Si pudiéramos hacerlo, quizá podríamos llegar a cartografiar de verdad el cerebro.
Podríamos analizar el cableado.
Podemos mirar dentro y ver las moléculas que hay.
Para explicar esto, hicimos algunas animaciones donde realmente se ven, en estas representaciones artísticas, qué aspecto tendrían las biomoléculas y cómo podríamos separarlas.
Paso uno: en primer lugar tendríamos que anexar cada biomolécula, aquí aparecen en marrón, a una pequeña ancla, un pequeño mango.
Tenemos que separar las moléculas del cerebro unas de otras, y para hacerlo, necesitamos tener un pequeño mango que le permita a esos polímeros adherirse a ellos, y ejercer su fuerza.
Pero si ponemos el polímero del pañal de bebé en el cerebro, obviamente, se ubicará en la parte superior.
Tenemos que encontrar cómo ubicar el polímero dentro.
Y aquí es donde tenemos mucha suerte.
Resulta que uno puede obtener los bloques de construcción, monómeros, como se les llama, y si se les deja entrar en el cerebro y luego desencadenar las reacciones químicas, se puede llegar a formar esas largas cadenas, allí en el interior del tejido cerebral.
Se abrirán camino alrededor de las biomoléculas y entre las biomoléculas, formando esas redes complejas que permitirán, con el tiempo, separar las moléculas unas de otras.
Y cada vez que uno de esos pequeños mangos esté alrededor, el polímero se adherirá al mango, y eso es exactamente lo que necesitamos para tirar de las moléculas y separarlas unas de otras.
Muy bien, el momento de la verdad.
Tenemos que tratar a este espécimen con un químico para aflojar las moléculas entre sí, y luego, al añadir agua, el material hinchable empezará a absorber el agua, las cadenas de polímero se separarán, pero ahora, las biomoléculas darán el paseo.
Y como cuando dibujamos una imagen en un globo, y luego inflamos el globo, la imagen es la misma, pero las partículas de tinta se separaron unas de otras.
Eso es lo que hicimos ahora, pero en tres dimensiones.
Hay un último truco.
Como pueden ver, hemos coloreado las biomoléculas en marrón.
Esto se debe a que todas se ven igual.
Las biomoléculas están formadas por los mismos átomos, pero en distinto orden.
Necesitamos una última cosa para hacerlas visibles.
Pequeñas etiquetas, con tintes brillantes para distinguirlas.
Así, un tipo de biomolécula podría tener un color azul.
Otro tipo de biomolécula podría tener un color rojo.
Etcétera.
Y ese es el paso final.
Ahora podemos analizar un cerebro y mirar moléculas individuales, porque las hemos separado lo suficiente y podemos distinguirlas.
Esperamos poder hacer visible lo invisible.
Podemos cambiar las cosas que podrían parecer pequeñas y oscuras e inflarlas hasta que sean constelaciones de información sobre la vida.
Este es un video real del aspecto que podría tener.
Aquí tenemos un pequeño cerebro en una placa…
un pequeño trozo de cerebro, en realidad.
Hemos colocado el polímero, y ahora hemos añadido agua.
Verán, justo ante sus ojos, este video está acelerado unas 60 veces, este pequeño trozo de tejido cerebral va a crecer.
Se puede aumentar cien veces o incluso más en volumen.
Y lo interesante es que, dado que los polímeros son tan pequeños, estamos separando biomoléculas uniformemente unas de otras.
Es una expansión suave.
No estamos perdiendo la configuración de la información.
Lo estamos haciendo fácil de ver.
Así que ahora podemos tomar circuitos del cerebro real — un trozo de cerebro involucrado, por ejemplo, con la memoria — y podemos hacer zoom.
Podemos empezar a mirar realmente cómo se configuran los circuitos.
Tal vez algún día podríamos leer un recuerdo.
Quizá podríamos realmente ver la forma de configurar circuitos para procesar emociones, cómo está organizado el cableado actual del cerebro para hacer de nosotros quienes somos.
Y, por supuesto, podemos señalar, con suerte, los problemas reales del cerebro a nivel molecular.
¿Y si en realidad pudiéramos mirar dentro de las células del cerebro y averiguar, guau, aquí están las 17 moléculas alteradas en este tejido cerebral que tuvo epilepsia o el cambio en la enfermedad de Parkinson u otra alteración?
Si conseguimos la lista sistemática de las cosas que van mal, esos se convertirán en objetivos terapéuticos.
Podemos construir fármacos que se adhieran.
Quizá podemos apuntar la energía a diferentes partes del cerebro para ayudar a las personas con Parkinson o epilepsia u otras enfermedades que afectan a más de mil millones de personas alrededor del mundo.
Ahora, ha estado ocurriendo algo interesante.
Resulta que en biomedicina, la expansión podría ayudar en otros problemas.
Esta es la biopsia real de una paciente de cáncer de mama.
Resulta que si analizamos los cánceres, si analizamos el sistema inmunológico, si estudiamos el envejecimiento, si estudiamos el desarrollo, estos procesos involucran sistemas biológicos a gran escala.
Por supuesto, los problemas comienzan con esas pequeñas moléculas a nanoescala, las máquinas que componen las células y los órganos del cuerpo palpitan.
Ahora tratamos de averiguar si podemos usar esta tecnología para mapear los componentes básicos de la vida en una amplia variedad de enfermedades.
¿Podemos establecer claramente los cambios moleculares en un tumor, ir tras él de manera inteligente, y suministrar fármacos que podrían acabar exactamente con las células que queremos?
Ya saben, gran parte de la medicina es de muy alto riesgo.
A veces, son incluso conjeturas.
Espero poder transformar lo que podría ser un gran sueño de alto riesgo en algo más fiable.
Si piensan en el sueño lunar original, el que nos llevó a la luna, se basó en ciencia dura.
Entendíamos la gravedad; entendíamos la aerodinámica.
Sabíamos construir cohetes.
El riesgo de la ciencia estaba bajo control.
Todavía era una gran, gran obra de ingeniería.
Pero en medicina, no necesariamente tenemos todas las leyes.
¿Tenemos todas las leyes análogas a la gravedad, análogas a la aerodinámica?
Yo diría que con las tecnologías de las que estoy hablando hoy, quizá podemos derivarlas.
Podemos trazar los patrones que ocurren en los sistemas vivos, y encontrar la manera de superar las enfermedades que nos aquejan.
Ya saben, con mi esposa tenemos dos hijos pequeños, y una de mis esperanzas como bioingeniero es hacer la vida mejor para ellos de lo que actualmente es para nosotros.
Espero que podamos convertir la biología y la medicina de estos esfuerzos de alto riesgo que se rigen por el azar y la suerte, en algo que ganemos con capacidad y trabajo arduo; eso sería un gran avance.
Muchas gracias.
(Aplausos)
https://www.ted.com/talks/ed_boyden_a_new_way_to_study_the_brain_s_invisible_secrets/