Los descubrimientos que trascienden las fronteras se encuentran entre los mayores placeres de la investigación científica, pero estos saltos a menudo se pasan por alto porque superan el pensamiento convencional. Tomemos, por ejemplo, un nuevo descubrimiento para tratar la demencia que desafía la sabiduría recibida al combinar dos áreas de investigación que antes no estaban relacionadas: las ondas cerebrales y las células inmunitarias del cerebro, llamadas microglía. Es un hallazgo importante, pero aún requiere la aceptación y la comprensión de los investigadores para alcanzar su verdadero potencial. La historia de las ondas cerebrales muestra por qué.En 1887, Richard Caton anunció su descubrimiento de las ondas cerebrales en una reunión científica. «Lee mi artículo sobre las corrientes eléctricas del cerebro», escribió en su diario personal. «Fue bien recibido, pero no entendido por la mayoría de la audiencia.»A pesar de que las observaciones de Caton de las ondas cerebrales eran correctas, su pensamiento era demasiado poco ortodoxo para que otros lo tomaran en serio. Ante tal falta de interés, abandonó su investigación y el descubrimiento fue olvidado durante décadas.
Avance a octubre de 2019. En una reunión de científicos que ayudé a organizar en la reunión anual de la Sociedad de Neurociencia en Chicago, pregunté si alguien sabía de investigaciones recientes de neurocientíficos del Instituto Tecnológico de Massachusetts que habían encontrado una nueva forma de tratar la enfermedad de Alzheimer manipulando la microglía y las ondas cerebrales. Nadie respondió.
Entendí: Los científicos deben especializarse para tener éxito. Los biólogos que estudian la microglía no suelen leer artículos sobre las ondas cerebrales, y los investigadores de ondas cerebrales generalmente desconocen la investigación glial. Un estudio que une estas dos disciplinas tradicionalmente separadas puede no ganar tracción. Pero este estudio necesitaba atención: Por increíble que suene, los investigadores mejoraron los cerebros de animales con Alzheimer simplemente usando luces LED que parpadeaban 40 veces por segundo. Incluso el sonido reproducido en esta frecuencia encantada, 40 hertz, tuvo un efecto similar.
Hoy en día, las ondas cerebrales son una parte vital de la investigación neurocientífica y el diagnóstico médico, aunque los médicos nunca las habían manipulado para tratar enfermedades degenerativas antes. Estos campos electromagnéticos oscilantes son producidos por neuronas en la corteza cerebral que disparan impulsos eléctricos a medida que procesan información. Al igual que las personas que aplauden en sincronía generan aplausos rítmicos atronadores, la actividad combinada de miles de neuronas que se disparan juntas produce ondas cerebrales.
Estas ondas vienen en varias formas y en muchas frecuencias diferentes. Las ondas alfa, por ejemplo, oscilan a frecuencias de 8 a 12 hertz. Aumentan cuando cerramos los ojos y excluimos la estimulación externa que energiza la actividad de ondas cerebrales de mayor frecuencia. Las ondas gamma que oscilan rápidamente, que reverberan a frecuencias de 30 a 120 hertz, son de particular interés en la investigación del Alzheimer, porque su período de oscilación está bien adaptado al marco de tiempo de centésima de segundo de la señalización sináptica en los circuitos neuronales. Las ondas cerebrales son importantes en el procesamiento de la información porque pueden influir en el disparo neuronal. Las neuronas disparan un impulso eléctrico cuando la diferencia de voltaje entre el interior y el exterior de la neurona alcanza un cierto punto de activación. Los picos y valles de oscilaciones de voltaje en las ondas cerebrales empujan a la neurona más cerca del punto de activación o más lejos de él, lo que aumenta o inhibe su tendencia a disparar. El aumento de voltaje rítmico también agrupa a las neuronas, haciéndolas disparar en sincronía a medida que» viajan » en diferentes frecuencias de ondas cerebrales.
Eso ya lo sabía, así que para entender mejor el nuevo trabajo y sus orígenes, busqué a Li-Huei Tsai, neurocientífica del MIT. Dijo que la idea de usar una de estas frecuencias para tratar el Alzheimer surgió de una observación curiosa. «Habíamos notado en nuestros propios datos, y en los de otros grupos, que la potencia del ritmo de 40 hertz y la sincronía se reducen en modelos de ratón de la enfermedad de Alzheimer», dijo, así como en pacientes con la enfermedad. Aparentemente, si tienes Alzheimer, tu cerebro no produce ondas cerebrales fuertes en esa frecuencia en particular. En 2016, su estudiante de posgrado Hannah Iaccarino razonó que tal vez aumentar el poder de estas ondas gamma debilitadas sería útil para tratar esta demencia grave e irreversible.
Para aumentar la potencia de onda gamma, el equipo recurrió a la estimulación optogenética, una técnica novedosa que permite a los investigadores controlar cómo y cuándo se disparan neuronas individuales mediante láseres brillantes directamente en ellas, a través de cables de fibra óptica implantados en el cerebro. El equipo de Tsai estimuló neuronas en la corteza visual de ratones con Alzheimer, haciéndolos disparar impulsos a 40 hertz. Los resultados, publicados en 2016 en Nature, mostraron una marcada reducción de las placas amiloides, un sello distintivo de la enfermedad.
Fue una buena indicación de que estas ondas cerebrales podrían ayudar, pero el equipo de Tsai sabía que un enfoque optogenético no era una opción para los seres humanos con la enfermedad, debido a preocupaciones éticas. Comenzaron a buscar otras formas de aumentar la actividad de las ondas gamma del cerebro. Emery Brown, colega del MIT de Tsai, le señaló un papel más antiguo que mostraba que se puede aumentar la potencia de las ondas gamma en el cerebro de un gato simplemente haciendo que mire una pantalla iluminada por una luz estroboscópica parpadeando a ciertas frecuencias, que incluían 40 hertz. «Hannah y nuestros colaboradores construyeron un sistema para probar la estimulación sensorial en ratones, y funcionó», me dijo Tsai. La idea es que las luces intermitentes activan ondas gamma porque la entrada sensorial rítmica establece que los circuitos neuronales «se balanceen» a esta frecuencia, como cuando la gente sacude un auto atascado de una rutina empujando juntos en ritmo.
De hecho, las luces estroboscópicas tuvieron un efecto adicional en los ratones: también eliminaron las placas amiloides. Pero no estaba claro exactamente cómo la estimulación optogenética o la terapia de luz intermitente podían hacer eso.
Siguiendo una pista del propio Alois Alzheimer, los investigadores rápidamente cambiaron su atención de las neuronas a la microglía. En la primera descripción de Alzheimer del tejido cerebral extraído de pacientes con «demencia presenil», que examinó bajo un microscopio a principios del siglo XX, observó que los depósitos de placas amiloides estaban rodeados por estas células inmunitarias. Investigaciones posteriores confirmaron que la microglía engullía las placas que marcaban el cerebro de estos pacientes.
Tsai y sus colegas decidieron revisar estas células inmunitarias en los animales cuyas ondas cerebrales habían aumentado. Observaron que la microglía en todos los animales tratados había aumentado de tamaño y que más de ellos estaban digiriendo placas amiloides.
¿Cómo supieron hacer esto estas células? A diferencia de las células inmunitarias en el torrente sanguíneo, que no son conscientes de las transmisiones neuronales, la microglía del cerebro se sintoniza con los ritmos de la actividad eléctrica en el cerebro. Mientras que las células inmunitarias en el torrente sanguíneo y la microglía en el cerebro tienen sensores celulares para detectar enfermedades y lesiones, la microglía también puede detectar neuronas que activan impulsos eléctricos. Esto se debe a que tienen los mismos receptores de neurotransmisores que las neuronas usan para transmitir señales a través de sinapsis. Esto le da a microglia la capacidad de» escuchar » la información que fluye a través de las redes neuronales y, cuando esas transmisiones se interrumpen, tomar medidas para reparar el circuito. Por lo tanto, las ondas cerebrales correctas pueden hacer que la microglía consuma los depósitos de proteínas tóxicas.
«Encuentro que esta intersección es uno de los resultados más emocionantes e intrigantes de nuestro trabajo», me dijo Tsai. Su equipo informó el año pasado en Neuron que prolongar la luz estroboscópica LED durante tres a seis semanas no solo eliminó las placas tóxicas en el cerebro de los ratones, sino que también evitó que las neuronas murieran e incluso preservó las sinapsis, que la demencia puede destruir.
El equipo quería saber si otros tipos de entrada sensorial rítmica también podrían sacudir los circuitos neuronales como un automóvil atascado, produciendo ondas gamma que resultaran en menos placas amiloides. En un estudio ampliado en Cell, informaron que al igual que ver destellos a 40 hercios produjo menos placas en la corteza visual, la estimulación del sonido a 40 hercios redujo la proteína amiloide en la corteza auditiva. Otras regiones se vieron afectadas de manera similar, incluido el hipocampo, crucial para el aprendizaje y la memoria, y los ratones tratados se desempeñaron mejor en las pruebas de memoria. Exponer a los ratones a ambos estímulos, un espectáculo de luces sincronizado con sonido pulsante, tuvo un efecto aún más poderoso, reduciendo las placas amiloides en regiones de la corteza cerebral, incluida la región prefrontal, que lleva a cabo funciones ejecutivas de alto nivel que se ven afectadas en la enfermedad de Alzheimer.
Me sorprendió, así que solo para asegurarme de que no me emocionaba demasiado la posibilidad de usar luces y sonidos parpadeantes para tratar a los humanos, hablé con Hiroaki Wake, un neurocientífico de la Universidad de Kobe en Japón que no participó en el trabajo. «Sería fantástico!»dijo. «El tratamiento también puede ser eficaz para una serie de trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Parkinson y ELA», en los que la microglía también desempeña un papel. Sin embargo, señala que, si bien el vínculo entre la microglía y las oscilaciones cerebrales está bien fundado, el mecanismo biológico por el cual la estimulación de 40 hercios incita a la microglía a eliminar las placas y rescatar las neuronas de la destrucción sigue siendo desconocido.
Tsai dijo que el misterio podría resolverse pronto. Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, incluida la veterana de Tsai lab, Annabelle Singer, expuso una posibilidad en un documento de febrero. Informaron que en ratones normales, la estimulación gamma con luces LED indujo rápidamente la microglía para generar citoquinas, proteínas que las neuronas (y las células inmunitarias en general) usan para señalarse entre sí. Son uno de los principales reguladores de la neuroinflamación en respuesta a lesiones y enfermedades cerebrales, y la microglía los liberó sorprendentemente rápido, en solo 15 a 60 minutos de la estimulación. «Estos efectos son más rápidos de lo que se ve con muchos medicamentos que se dirigen a la señalización inmunitaria o la inflamación», dijo Singer.
Las citocinas vienen en muchas formas, y el estudio encontró que para que la microglía produzca diferentes tipos se necesitaban frecuencias específicas. «La estimulación neuronal no solo enciende la señalización inmune», dijo Singer. Tomó un ritmo particular para producir estas proteínas. «Se podrían usar diferentes tipos de estimulación para sintonizar la señalización inmune según se desee.»
Eso significa que los médicos podrían tratar diferentes enfermedades simplemente variando los ritmos de luz y sonido que usan. Los diferentes estímulos mecerían las neuronas para producir frecuencias de ondas cerebrales apropiadas, causando que la microglía cercana liberara tipos específicos de citoquinas, que le dicen a la microglía en general cómo trabajar reparando el cerebro.
Por supuesto, todavía puede pasar un tiempo antes de que dichos tratamientos estén disponibles para los pacientes. E incluso entonces, puede haber efectos secundarios. «La estimulación sensorial rítmica probablemente afecta a muchos tipos de células en el tejido cerebral», dijo Tsai. «Se desconoce cómo cada uno de ellos detecta y responde a las oscilaciones gamma.»Wake también señaló que la estimulación rítmica podría hacer más daño que bien, porque tales estímulos podrían inducir convulsiones, comunes en muchos trastornos psiquiátricos y neurodegenerativos.
Aún así, los beneficios potenciales son grandes. El equipo de Tsai acaba de comenzar a evaluar su método de luz estroboscópica en pacientes, y seguramente se unirán a otros a medida que más investigadores se enteren de este prometedor trabajo. (La mayoría de los expertos con los que hablé no estaban al tanto de esta investigación hasta que pregunté.)
Al igual que surgen nuevas especies en los límites entre ecosistemas, la nueva ciencia puede florecer en la interfaz entre disciplinas. Se necesita un ojo agudo para detectarlo, pero como descubrió Richard Caton, también puede requerir un poco de persuasión para convencer a otros.