Ultrasonidos y sensores de grafeno para estudiar el cerebro

La comprensión del funcionamiento de las distintas áreas del cerebro, desde el nivel más microscópico, y cómo las relaciones entre sus áreas se alteran en los estados patológicos supone un reto apasionante”, dice Candela González-Arias, doctoranda en el Instituto Cajal (IC-CSIC). Ella es una de los jóvenes investigadores que se forman en el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y que tratan de dar respuesta a las incógnitas que plantea el órgano que centraliza la actividad del sistema nervioso, el más complejo del organismo, fruto de centenares de millones de años de evolución. Para obtener dichas respuestas estos científicos abordan su estudio desde múltiples disciplinas -neurociencias, óptica, ciencia de materiales… - para avanzar en el conocimiento de su estructura, la búsqueda de nuevas dianas terapéuticas, la comprensión de las enfermedades neurodegenerativas y el funcionamiento de la visión, entre otras.

La investigación que lleva a cabo Candela González-Arias tiene como objetivo entender el papel de los astrocitos, un tipo de célula de glía (células que se encuentran en el sistema nervioso), en la depresión. Más de 300 millones de personas sufren esta enfermedad en todo el mundo y en 2030 será la primera causa de discapacidad en jóvenes y adultos, según la Organización Mundial de la Salud (OMS). “Desde hace años la neurobiología ha puesto el foco en el estudio de las neuronas y sus alteraciones, pero todavía se desconocen las causas de esta patología”, explica la científica.

Los astrocitos representan una de las poblaciones más abundantes de las células gliales en el cerebro de los mamíferos y son cruciales para el correcto funcionamiento del sistema nervioso, de ahí la relevancia de comprender qué alteraciones fisiológicas se presentan en la depresión. “De momento -apunta-, hemos comprobado cómo la manipulación selectiva de estas células puede revertir algunos de los principales síntomas de la enfermedad, lo que revela su potencial como dianas terapéuticas”. Según añade la investigadora, la consolidación de los resultados obtenidos supondrían un avance significativo no solo en el conocimiento de la fisiopatología de la depresión, sino también en relación a nuevas estrategias para su tratamiento.

Marina Gullén, del Investigaciones Biomédicas Alberto Sols, y Candela González, del Instituto Cajal. / César Hernández

Con el mismo objetivo, conocer mejor el cerebro y los fenómenos que suceden en él, trabaja Marina Guillén, doctoranda del Instituto de Investigaciones Biomédicas Alberto Sols (IIB-CSIC-UAM). Sin embargo, ella se centra en una enfermedad genética rara diagnosticada solo a 320 personas en todo el mundo. Estudia las alteraciones que existen en el cerebro de pacientes que sufren el síndrome de Allan-Herndon-Dudley. “Quienes tienen esta enfermedad carecen de una proteína que permite a las hormonas tiroideas, necesarias para el correcto desarrollo del cerebro, introducirse en las células. Esto provoca importantes alteraciones neurológicas, como una grave discapacidad intelectual, paraplejia o incapacidad para coordinar los movimientos en las personas que la padecen”, explica Guillén. “Con el fin de mejorar la calidad de vida de estos pacientes, trabajamos con un modelo murino que porta una de las mutaciones y empleamos técnicas como la inmunohistoquímica, la microscopía electrónica de transmisión o la resonancia magnética nuclear para analizar la estructural cerebral”.

Tratamientos para neuropatologías

“A pesar de la multitud de investigaciones que se realizan en todo el mundo, el número de casos de afectados por una neuropatología sigue aumentando y no existen, de momento, muchos tratamientos eficaces”, según señala Daniel Muñoz, del Instituto de Química Física Rocasolano (IQFR-CSIC). El proyecto en el que investiga trata de entender, a nivel atómico y molecular, cómo la proteína NCS-1 es capaz de interactuar y regular otras proteínas dianas implicadas en múltiples enfermedades, tanto en el neurodesarrollo como en desórdenes del comportamiento y en la neurodegeneración. “Comprender las bases de la especificidad de NCS-1 facilitaría el desarrollo de nuevas moléculas reguladoras con potencial biotecnológico y terapéutico. Es una diana farmacológica muy atractiva”, apunta Muñoz.

“Las estrategias terapéuticas actuales para el tratamiento de enfermedades del neurodesarrollo y neurodegenerativas están diseñadas para actuar sobre los síntomas, no sobre la causa primaria de la enfermedad. Mi grupo de investigación lleva a cabo una aproximación novedosa con la que pretendemos modular la actividad de la sinapsis nerviosa, que se encuentra alterada en este tipo de enfermedades. Mediante la combinación de técnicas de biología molecular, bioquímica y biología estructural estudiamos las interacciones proteína-proteína implicadas en estos procesos para hacer un diseño racional de candidatos terapéuticos y entender sus mecanismos de acción a nivel atómico. De esta manera, contribuimos al desarrollo de moléculas que en un futuro podrían construir nuevos fármacos”, concluye. 

Diana Andrés, del Instituto ode Instrumentación para Imagen Molecular, y Daniel Muñoz, del Instituto de Química Física Rocasolano. / Roberto Roca Hurtuna / César Hernández

Otra propuesta para tratar las enfermedades del cerebro está relacionada con los ultrasonidos y su potencial para producir múltiples efectos terapéuticos, como la neuroestimulación o la apertura de la barrera hematoencefálica (que regula el paso de moléculas desde el torrente sanguíneo al tejido cerebral) para la administración de fármacos. Actualmente, una forma de aplicarlos con sistemas de bajo coste es con transductores focalizados, que concentran la energía de las ondas de ultrasonidos en un foco conocido. Sin embargo, el haz de ultrasonidos sufre aberraciones al pasar a través del cráneo y pierde su forma, pudiendo afectar estructuras cerebrales no deseadas. La joven investigadora Diana Andrés, del Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (I3M-CSIC-UPV), trabaja en la creación de un nuevo sistema de focalización de ultrasonidos, basado en hologramas acústicos impresos en 3D, para el tratamiento específico y seguro de enfermedades neuronales. “Si se acoplan hologramas acústicos impresos en 3D a transductores de ultrasonidos, el holograma actúa como un elemento pasivo que modifica el campo que genera el transductor y posibilita darle forma, corrigiendo las aberraciones que produce el cráneo, y permite adaptar el foco de energía a las estructuras del cerebro deseadas”, señala.

Como apunta la investigadora, los ultrasonidos focalizados en el cerebro son capaces de producir diferentes efectos terapéuticos de una forma no invasiva, reversible y no ionizante al poder aplicarse sin intervenciones quirúrgicas ni radiación. Las técnicas actuales permiten la focalización en un determinado punto o una región concreta del cerebro, pero son sistemas muy complejos, con un elevado coste de fabricación y un precio de venta muy alto. “Al fabricarse con impresoras 3D, la tecnología que se emplea en este proyecto es una alternativa fácil de crear, de bajo coste y se puede personalizar para cada paciente. Además, conforme evolucione la tecnología de impresión 3D también se podrá ir adaptando la técnica”. En la actualidad, ya se está empleando con éxito en varios centros hospitalarios de Madrid y Nueva York (EE. UU) para realizar la apertura de la barrera hematoencefálica en personas con alzhéimer o párkinson y ayudar a la administración de fármacos.

Sensores neuronales de grafeno

Enrique Fernández, científico del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC), trabaja en el diseño de sensores neuronales flexibles de grafeno. “Desarrollamos dispositivos para registrar la actividad eléctrica en el cerebro al mismo tiempo que se miden las propiedades eléctricas del tejido, algo que cambia con enfermedades como la epilepsia y el ictus”, señala. “La capacidad de medir ambos parámetros a la vez puede aportar una información novedosa en relación a las enfermedades que afectan al cerebro y abrir nuevos campos de estudio para los investigadores”, dice Fernández. Para obtener la información en tiempo real se emplean transistores flexibles de grafeno que se caracterizan por su capacidad para trabajar con una gama muy amplia de frecuencias y que, además, son biocompatibles, transparentes y se adaptan a la superficie del cerebro gracias a su flexibilidad.

El cerebro es el órgano que centraliza la actividad del sistema nervioso, pero recibe información de muchas regiones del cuerpo humano. Desde el Instituto de Óptica (IO-CSIC), Víctor Rodríguez investiga una nueva versión del efecto Pulfrich, una ilusión óptica que hace que objetos que se mueven delante de la persona en una trayectoria rectilínea (por ejemplo, el movimiento de un péndulo) se perciban con una profundidad que no es real y que depende del movimiento del objeto. Esto sucede debido a diferencias entre las imágenes que llegan a cada ojo, que hace que el cerebro las procese en tiempos distintos.

Víctor Rodríguez, investigador del Instituto de Óptica. / César Hernández

“Este efecto ya se había descrito en relación a diferencias en la cantidad de luz que llega a cada ojo, pero hemos descubierto una nueva versión del efecto Pulfrich, nunca descrita antes. Sucede cuando hay diferencias de emborronamiento entre las imágenes que reciben ambos ojos. La más emborronada, a diferencia de lo que apuntaba la hipótesis, se procesa más rápido que la imagen más enfocada. Por eso lo llamamos efecto Pulfrich inverso”, dice el científico. “Este descubrimiento -añade- tiene una alta implicación en correcciones de la presbicia (o vista cansada), especialmente en la corrección de la monovisión, un tipo de corrección de la presbicia en la que un ojo se corrige para visión lejana y el otro para visión cercana, produciendo diferencias de emborronamiento y, por tanto, el efecto Pulfrich inverso”.

Comprender el desarrollo del cerebro, su funcionamiento y las patologías relacionadas requiere de un conocimiento profundo y para seguir avanzando en este campo es necesario abordarlo desde diferentes perspectivas, como hacen los jóvenes investigadores del CSIC.

María González

maria.gonzalez@csic.es