¿Alguna vez te has preguntado si podrías controlar un brazo artificial? Y, ¿si ese brazo artificial tuviera además un sistema de retroalimentación para decirte lo que está tocando? Por ejemplo, una taza de café caliente o un cubito de hielo.
Para crear tales enfoques en un futuro, es necesario avanzar en la comprensión básica del cerebro y de los métodos y dispositivos utilizados en la neurociencia. En el ejemplo mencionado aquí, es esencial registrar la actividad neuronal y las señales de retroalimentación en dicha actividad. Para controlar un brazo artificial, necesitas primero pensar que controlas un brazo, y que ese pensamiento se convierta en una señal que se registre en la corteza motora. Al mismo tiempo, para tener retroalimentación acerca de la temperatura del objeto que tocaste, la señal digital de un sensor de temperatura en la punta de la mano necesita ser transferida o escribirse en la corteza sensitiva.
Uno de los principales problemas en la neurociencia es el registrar señales neuronales con dispositivos implantados por mucho tiempo y lograr mantener una señal de alta calidad. El movimiento del cerebro, las interacciones electrodinámicas de un electrodo implantado en tejido biológico y el proceso de inflamación que esto conlleva son sólo algunas de las causas que van degradando la calidad de la señal. Pero en pacientes, la señal de alta calidad por periodos prolognados de tiempo es altamente necesaria.
El segundo problema que existe es registrar actividad cerebral, y al mismo tiempo, emitir luz dentro del cerebro. ¿Por qué tendríamos que iluminar el cerebro? Porque existe una técnica llamada Optogenética. Ésta técnica permite la aperture de caneles iónicos con el uso de la luz (ver Figura 1).
Esos canales iónicos son geneticamente introducidos en la membrana celular de una neurona, y típicamente se encuentran cerrados. Al introducer una luz que emite una onda específica, esos canales se abren y permiten el paso de iones cargados positivamente. Esto activa la neurona, que luego dispara un potencial de acción. Todo esto nos indica que la neurona se encuentra activada.
Este proceso también puede funcionar al revés. Las neuronas pueden ser inhibidas, incapacitando ese potencial de acción y el envío de señales. La inhibición funciona al activar canales iónicos que ahora traen iones cargados negativamente hacia adentro de la neurona, logrando que la célula se inactive.
Mientras uno graba la actividad del cerebro y simultáneamente se estimula con luz, hay aún otro problema. La luz perturba la señal en cualquier electrodo común. Lo cual dificulta sobremanera la interpretación de las señales.
En nuestro proyecto de investigación, nos preguntamos si sería posible desarrollar un electrodo que pueda implantarse de manera crónica durante experimentos de largo plazo y que permita el paso de luz sin perturbar la señal.
Por lo tanto, nosotros como neurocientíficos trabajamos junto con ingenieros para desarrollar dicho electrodo (ver Figura 2). Un proceso así lleva muchos años de trabajo ya que los electrodos deben construirse y luego probarse. Y siempre hay que perfeccionarlos. Trabajamos principalmente en la estabilidad, transparencia y flexibilidad del material a largo plazo. Al final, desarrollamos exitosamente una matriz de electrodos que en primer lugar es estable a largo plazo y en segundo lugar, permite controlar la actividad neuronal mediante el suministro de luz. Su diseño es diferente a los enfoques anteriores. Los materiales que utilizamos son mucho más estables a largo plazo, y como beneficio adicional, también es más fácil de producir. Lo más importante es que son menos complicados.
Con ésta y otras investigaciones similares llevándose a cabo en todo el mundo, en el futuro podremos ayudar a personas discapacitadas o personas que han perdido por ejemplo, un brazo. Aún así, existen limitaciones para esta bonita promesa. En este ejemplo específico, la dificultad comienza con el proceso de introducción de estas proteínas en la membrana neuronal de los humanos y termina con la forma en que se debe llevar la luz al cerebro. Todo esto es posible hasta ahora en nuestros modelos animales en el laboratorio, pero no es así de sencillo en pacientes.
En la ciencia, tenemos que entender que todos vamos a ir contribuyendo una pequeña parte, que luego logrará algo más significativo con el esfuerzo de muchos. Por mucho que me gustaría decirte que éste proyecto de investigación podría ayudar a pacientes muy pronto, me temo que no es así. Muchos equipos interdisciplinarios en todo el mundo están actualmente trabajando juntos para poder alcanzar ese objetivo final. Además, hay que considerar que el progreso no sólo tiene que ocurrir dentro del campo neurocientífico, pero en este caso en particular, los avances deben ocurrir también en la ingeniería, ciencia de los materiales y neurocirugía.
El progreso rápido de la ciencia algunas veces conlleva suerte, pero también depende en gran medida del dinero y la fuerza laboral. Como hemos visto durante la pandemia, las vacunas se investigan y producen mucho más rápido si existe una necesidad urgente y una fuerza combinada en todo el mundo. Y si la investigación básica no se hubiera realizado durante décadas, el conocimiento para permitir ese desarrollo rápido de vacunas, no existiría.
Los obstáculos burócracticos y la escasez de recursos únicamente conllevan a un progreso científico más lento. Pero al final, la ciencia está en esa unta del iceberg que una sociedad debe de cuidar. Probablemente el mayor contribuyente para salvar al mundo o al menos para hacerlo más habitable por más tiempo será la ciencia. Pero uno sólo puede invertir en ciencia si las estructuras políticas y sociales son más estables y se satisfacen las necesidades más urgentes.
Para resumir, dejo estos últimos pensamientos: Con este estudio de investigación no podremos controlar una extremidad artificial con retroalimentación sensorial inmediatamente. Hay que verlo como una contribución mínima, como muchas otras contribuciones en el campo. Lentamente avanzaremos hacia ese sueño final.
Si algo he aprendido como científico es a tener una gran cantidad de paciencia y confianza en que el futuro será mejor si trabajamos duro para ello.
Referencia a la publicación de éste proyecto de investigación (Disponible sólo en Inglés):
Brosch et al. 2020 An optically transparent multi-electrode array for combined electrophysiology and optophysiology at the mesoscopic scale J. Neural. Eng 046014
