La ciencia desafía al cerebro

Descifrar las claves del razonamiento, trasladar la estructura del pensamiento o del aprendizaje humanos a un ordenador, curar enfermedades mentales o neurológicas. Son retos a los que abren la puerta los dos programas científicos que han lanzado este año la Unión Europea (UE) y Estados Unidos (EE.UU.) con el fin de conocer los mecanismos del cerebro. Este órgano es un sistema biológico que no se conoce por entero, la máquina más compleja que ha visto el ser humano. Y descubrir cómo funciona es un objetivo de efectos casi insondables.

“Las personas nos definimos como especie por lo mental, por una serie de rasgos que se basan en el cerebro: lo emocional, el lenguaje, lo cultural, lo que llamamos nuestra esencia y nos diferencia de los animales. Y sin embargo, no sabemos cómo funciona este órgano en muchos aspectos; cuando lo averigüemos, sabremos cómo se piensa, por qué se piensa o se actúa de determinada forma… Por primera vez, la humanidad se va a conocer a sí misma. Lo que se descubra puede cambiar al ser humano de hoy, determinar el del siglo XXI”, reflexiona Rafael Yuste, director de un instituto de investigación cerebral y profesor en la Universidad de Columbia (EE.UU.).

Es un enorme desafío humano y tecnológico. Mayor no lo podía encontrar la Comisión Europea, que buscaba un proyecto bandera, un campo científico con futuro y que liderar en los próximos diez años. En enero aprobó el Human Brain Project (HBP) o proyecto cerebro humano –junto a la investigación del material del futuro, el grafeno–.

Apenas tres meses después, EE.UU. presentaba también su apuesta por el cerebro, la Brain Initiative (brain por cerebro y como acrónimo de investigación cerebral mediante iniciativas neurotecnológicas avanzadas), igualmente a diez años vista. En la presentación, el presidente Barack Obama comparó la iniciativa –por su trascendencia y por la intensidad investigadora que le gustaría que tuviera– con la carrera espacial y el proyecto de descodificación del genoma humano.

Ahora se trata de dar otro gran salto científico, coinciden tanto Rafael Yuste como Javier de Felipe, investigador del cerebro que dirige el laboratorio Cajal de la Universidad Politécnica de Madrid-Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Si Yuste, madrileño afincado en Estados Unidos, es uno de los 22 científicos que impulsaron la iniciativa americana y convencieron a colegas, inversores y al mismo Obama, De Felipe ha trabajado en lo que ha sido el embrión del programa europeo y dirigirá una de sus áreas. Ambos científicos explican que en 10 años de investigación se pueden obtener avances enormes, aunque hoy imposibles de concretar. Sí se puede esbozar una perspectiva de los muchos aspectos que podría cambiar la comprensión de cómo funciona el cerebro. Es probable que requiera más de diez años, pero es un panorama vertiginoso.

“El cerebro es el único órgano del cuerpo que nos hace ser lo que somos; si te trasplantan el hígado o el corazón, sigues siendo tú; si se pudiera trasplantar el cerebro... serías otro”, remarca De Felipe. Así, conocer todos los circuitos cerebrales podría cambiar el concepto de razonamiento, de emociones, los impulsos, el aprendizaje de lenguas, la creatividad, problemas de aprendizaje, de memoria… multitud de visiones, desde la ética hasta aspectos culturales.

La iniciativa estadounidense se propone hacer mapas de la actividad neuronal de circuitos enteros del cerebro (de animales y de humanos) y desarrollar técnicas para usar esos datos, influir en la actividad neuronal y obtener nuevos tratamientos para enfermedades. El plan europeo pretende descifrar la estructura del cerebro y hacer modelos informáticos para simulaciones que sirvan para estudiar y tratar mejor las patologías. “No se trata de aprender a construir un cerebro a lo Frankenstein”, aclara De Felipe. Si se conocieran los patrones sanos y cómo se alteran, se podría tratar mejor un trastorno, quizás hasta curar alguna enfermedad.

Porque a corto y medio plazo, las ambiciones se centran en mejoras médicas. El deseo es combatir de manera más eficaz las muchas enfermedades relacionadas con el cerebro –afectan a mil millones de personas en el mundo–, desde el alzheimer, el parkinson, la epilepsia o el autismo hasta la depresión o la esquizofrenia, alteraciones y limitaciones derivadas de daños en el cerebro (congénitos o por lesiones) o saber más del estado de inconsciencia.

El conocimiento del cerebro ha aumentado mucho en los últimos años gracias a los avances en la neuroimagen o la genética. De Felipe, que lleva 30 años investigando, cuenta que ya ha vivido “varios de esos momentos en los que sabes que se entra en una fase nueva”. “Por ejemplo –apunta–, se discutió durante décadas, desde Santiago Ramon y Cajal, si el cerebro era dinámico o estático; no hace mucho se logró unos marcadores de neuronas que permitían grabar su actividad en vídeo y en unos segundos quedaron resueltas décadas de debate, porque se vieron estructuras dinámicas”.

Las técnicas de diagnóstico por la imagen, como la resonancia magnética funcional, han revolucionado la investigación al permitir ver la actividad neuronal (aunque no de manera suficiente); se han descubierto mecanismos cerebrales (de recompensa, de deseo, de la memoria…); se ha avanzado en conocer el deterioro cerebral que causan enfermedades como el alzheimer, se ha hecho estudios del cerebro en 3D…

Pero, pese a los avances, aún queda mucho por saber. Casi sorprende que, como dijo Obama, la ciencia permita hoy explorar el universo o los átomos, pero no haya desvelado los secretos “de la materia que tenemos entre las orejas”. De Felipe lo corrobora: “Hay más de 500 regiones identificadas, pero no tenemos concretado en cada una el número de neuronas –se estima que el cerebro humano tiene 100.000 millones, y cada una, al menos mil conexiones con otras–. Numerosos científicos estudian el cerebro, pero no se aprovecha bien la investigación, mucha información y buena, que no se puede utilizar después porque la metodología varía”. Un objetivo del proyecto europeo es cambiar esto; más de 300 científicos de un centenar de laboratorios trabajarán con métodos comunes y compartirán datos.

El equipo de De Felipe, por ejemplo, ya estudiaba las columnas corticales, que son, explica, series de neuronas, unidades elementales de organización cerebral. Trata de determinar la organización de la corteza cerebral, donde residen las capacidades que más definen a los humanos como la abstracción, la creatividad… El programa europeo (que se incubó en la Escuela Politécnica Federal de Lausana) ha ampliado este objetivo a toda la estructura cerebral.

“Sin conocer el 100% de esta estructura, ahora ya se manipula la actividad mediante el aumento o la inhibición de un neurotransmisor, de la glucosa, el calcio… se ha visto que tiene unos efectos positivos ante ciertas patologías, pero nunca podremos conocer ni tratar bien ninguna enfermedad que afecte el cerebro sin conocer antes el cerebro”, dice el investigador madrileño.

“Yo soy médico –añade Yuste–. En mis inicios traté a enfermos esquizofrénicos y paranoicos. Me decía: es imposible saber qué pasa en sus mentes, magníficas, pero con algo desenfocado. Me pasé a psiquiatría y a la investigación por ellos; porque pensé que no se puede arreglar un coche si no sabes cómo funciona. No se puede curar una esquizofrenia –dolencia con una incidencia importante, afecta al 1% de población– sin saber qué se ha alterado en el cerebro y por qué. Yo creo que a este tipo de enfermos les podremos curar. No los curaré yo, pero estoy convencido que lo harán generaciones futuras. Lo mismo ocurre con la depresión, el autismo, enfermedades neurológicas como la epilepsia, que sufre otro 1% de población y un tercio de afectados no responde bien al tratamiento… A muchos enfermos de epilepsia se les extirpa un trozo de cerebro… Se les podrá tratar mejor”.

Este científico es pionero en emplear técnicas ópticas (entre otras) para medir la actividad en la corteza cerebral y explica que en su laboratorio ya han ensayado una técnica en ratones para frenar los ataques epilépticos. Les aplican descargas de determinada luz mediante óptica láser para modular la actividad neuronal. Esta tecnología también permite ver dentro de los tejidos, unos milímetros bajo su superficie, así que ofrece nuevas posibilidades en el diagnóstico por la imagen.

“En diez o quince años se puede avanzar mucho”, vaticina De Felipe. Se trabajará, entre otros campos, en detallar las regiones cerebrales, la genética de las enfermedades, desarrollar marcadores que permitan seguir las conexiones entre neuronas y nuevas formas de escaneo o en crear robótica para ayudar a discapacitados. “Revertir las discapacidades ya lo veo más difícil”, matiza.

En cambio, podría modificarse radicalmente la investigación farmacéutica. “Esta industria dedica casi la mitad de su esfuerzo a desarrollar fármacos para enfermedades relacionadas con el cerebro, pero con tecnología basada en ensayos con animales, etcétera. Conocer los circuitos cerebrales humanos, poder simularlos, cambiaría la forma de investigar fármacos”, sostiene Yuste.

Es evidente que los dos programas Cerebro despiertan grandes expectativas, pero también críticas y escepticismo. Hay neurólogos y otros especialistas que creen que se dan falsas esperanzas a los ciudadanos porque ven muchos objetivos inalcanzables. Temen que dedicar tanto dinero a macroproyectos deje sin apoyo investigaciones más modestas con mayor aplicación inmediata. Dicen que si se empieza a investigar cerebros de invertebrados y después de mamíferos, se puede tardar décadas en conocer el cerebro humano; avisan que quizás no se desvele nunca su funcionamiento y que, si se logra, cueste llevar a aplicaciones prácticas tal volumen de datos. Serían muchísimos más que los que generan grandes centros científicos como el Colisionador de Hadrones de Ginebra. Un sistema más inabarcable que internet, resumía un científico en la revista Nature.

Si los dos macroprogramas se han lanzado ahora –EE.UU. ya aprobó un programa, la Década del Cerebro, en los años noventa, cuyos resultados se consideran muy desigualmente–, es porque se ven perspectivas de avanzar mucho gracias a la progresión tecnológica de los últimos años, a los avances en bioinformática para obtener y categorizar datos (se expandió con el proyecto genoma), en nanotecnología, robótica… A caballo de la tecnología, “en unos años el cambio puede ser tremendo”, dice Yuste.
“El cerebro es supercomplejo, pero ¿por qué pensar que no se puede descifrar? Hay quien dice que es imposible. Yo creo que es complicado pero no imposible, cada día tenemos una tecnología más avanzada”, señala De Felipe. Él ve accesible conocer el conectoma, aunque no por ahora el sinaptoma, es decir, tener un mapa de las neuronas, pero no de todas las conexiones entre ellas. “Es como si usas Google Maps –ejemplifica–: puedes ver el entramado de calles de una ciudad (equivaldría al conectoma), quizás hasta puedes saber quien vive en cada edificio, pero los movimientos que hace cada persona a cada momento (sería el sinaptoma) son millones y millones de datos. Pero creemos que sí podríamos obtener una información predictiva, datos reales de una parte, y de allí deducir como trabaja el resto. Si muchos grupos y bien financiados trabajan juntos, se pueden hacer cosas estupendas”.

Es cuestión de trabajo, talento y dinero. EE.UU. ha apostado por el cerebro amparándose en que el Proyecto Genoma Humano, de hace unos 15 años, fue muy rentable, científica y económicamente. Se ha estimado que por cada dólar que se invirtió en investigar los genes se han generado al menos 141 de actividad económica. Se espera que ocurra algo similar con el estudio del cerebro. EE.UU. invirtió 3.800 millones de dólares (2.845 millones de euros) en el genoma. Cifras similares se prevén para el cerebro, procedentes de fondos públicos y privados. El Gobierno empezará por dedicar unos 100 millones en el 2014 a través de tres entes que administrarán el programa: la agencia de investigación del Departamento de Defensa (Darpa), el Instituto Nacional de Salud (NIH) y la Fundación Nacional de Ciencia.

La UE prevé invertir en una década 1.000 millones de euros (también espera contar con inversión privada). Una inyección en los maltrechos presupuestos científicos (aunque otros campos quizás se resientan). A ambos lados del Atlántico, la investigación del cerebro se impuso a unas 300 propuestas más: desde la NASA, para crear nuevos carburantes o energías limpias, hasta una de ángeles de la guarda robóticos para ayudar a personas en situaciones física o emocionalmente complejas…

Los dos macroplanes prevén que la investigación del cerebro alimente el avance tecnológico. Incluso que determine la tecnología del siglo XXI. Una línea científica será la neurorobótica, desarrollo de interfaces, aparatos que se conecten con el cerebro para leer su actividad o corregir o suplir funciones deterioradas –ya se ha ido trabajando en los últimos años en experimentos como brazos robóticos para persones con lesiones cerebrales y nerviosas–. Junto a la robótica, pueden beneficiarse disciplinas como la biología sintética.

Ya hay también implantes, electrodos, que permiten modular neuronas (pocas) y controlar algunas enfermedades (como el parkinson). Pero se espera que esta disciplina progrese rápido de la mano de la nanotecnología, que produce electrodos diminutos. Algunos científicos han aventurado que en cinco años se podrá controlar decenas de miles de neuronas, y en diez años, diez veces más.

Descodificar los circuitos cerebrales puede permitir trasladar funciones, como el lenguaje humano, a un ordenador. Así se abriría un universo de aplicaciones tecnológicas industriales o para electrónica de consumo, como pantallas manejadas con la voz o la mente, o lo mismo con vehículos. O programas informáticos de análisis financiero que manejen millones de datos.

Investigadores de los programas Cerebro han recordado en publicaciones y entrevistas que a menudo se apunta que la próxima revolución informática podría derivar de la neuroinformática, los sistemas neuromórficos, ordenadores que funcionen reproduciendo la estructura cerebral-nerviosa y adquieran capacidades como aprender, hacer categorías espontáneamente, tomar decisiones impredecibles, usar el lenguaje humano... Quizás hasta sentir.

Eso o la posibilidad de reproducir un cerebro en modelo informático e insertarlo en una máquina cambiaría la humanidad. Yuste o De Felipe subrayan que los programas Brain no van tan lejos. Aun así, son puertas que se abrirían al comprender los circuitos cerebrales. “Sería interesante ver el mundo dentro de cien o mil años, quizás sólo haya máquinas ”, bromea De Felipe.

Sin llegar a extremos, muchos avances podrían beneficiar a medio plazo no sólo a enfermos, también a personas sanas. Con todo, Yuste señala que la robótica empleada en personas sanas para mejorar sus funciones cerebrales (como por ejemplo ampliar la memoria...) debería debatirse mucho previamente en los comités éticos y la sociedad. Él no seria partidario del uso de implantes invasivos con tales fines.

Lanzados los planes, tanto Yuste como De Felipe se han replegado a sus cuarteles para investigar. Este otoño en Estados Unidos se harán los concursos de proyectos para concretar los financiados dentro del programa federal. En Europa, este octubre echan a andar los planes y ha de empezar a llegar la financiación a los laboratorios. Con De Felipe, varios grupos y centros en España trabajarán en el programa europeo, como el Centro Nacional de Supercomputación de Barcelona.

Y, aunque los dos macroprogramas corran paralelos a un lado y otro del Átlantico, políticos y científicos han asegurado que no pretenden competir, sino sumar esfuerzos de expertos, también de otros países.

Ética y temor a usos militares

Que la agencia de investigación del Departamento de Defensa (Darpa) sea uno de los tres administradores del proyecto americano (invierte la mitad de los 100 millones previstos por el Gobierno para el 2014) despierta recelos. Yuste se muestra convencido de que el papel de la agencia no obedece tanto a que busque investigar nuevas armas o crear soldados perfectos, sino a la razón dada oficialmente de que el Gobierno federal debe hacerse cargo de un enorme coste sanitario y social por los miles de veteranos de guerra con daños que les discapacitan. “Se busca más que hacer ciencia ficción, avances terapéuticos”, opina el neurobiólogo. “Claro que siempre que se crea tecnología se puede usar para ayudar a la humanidad o para dañarla –reconoce–. Los científicos hemos exigido en este programa un ámbito de desarrollo ético muy estricto, con diferentes comités que dirimirán los posibles usos ya antes de que se apruebe cada proyecto de investigación, con participación ciudadana, transparencia... En mi caso, claramente, mi corazón está con los pacientes”.