¿Podremos comprender el cerebro humano?

La misión del cerebro es la interrelación del organismo con su entorno. Para ello, este órgano despliega un repertorio de conductas y propiedades desde el movimiento a la memoria pasando por la emoción, el lenguaje o la consciencia. ¿Cómo lo consigue? Es la gran pregunta que los científicos tratan de responder.

De la computación a la consciencia, explicar el cerebro sigue siendo el gran reto de la ciencia del siglo XXI. Precisamente, el cerebro es el órgano para cuyas dolencias se utiliza una mayor variedad de medicamentos, al menos en el sistema nacional de salud español, lo que resalta el escaso conocimiento que aún tenemos sobre su funcionamiento y enfermedades.

Entendamos sus tareas. La misión del cerebro es la interrelación del organismo con su entorno. Para ello, este órgano despliega un repertorio de conductas y propiedades desde el movimiento a la memoria pasando por la emoción, el lenguaje o la consciencia. ¿Cómo lo consigue? Es la gran pregunta. Para intentar responderlo, troceemos el gran problema en preguntas más pequeñas.

Cerebro humano
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¿De qué forma consiguen miles de millones de neuronas trabajar conjuntamente para generar el comportamiento? ¿De qué manera los cambios en el cerebro conducen a la enfermedad? ¿Qué es lo que hace al cerebro humano diferente? Estas son algunas de las grandes cuestiones que la neurociencia tiene que responder, según la neurocientífica Cara Altimus y otros autores que, en 2020, publicaron en The Journal Of Neuroscience una síntesis de los avances de la neurociencia en las últimas cinco décadas y los hitos previsibles para los próximos años.

Si seguimos troceando el problema, podremos trazar cinco de los grandes retos que la neurociencia del presente y del futuro tendrá que explicar para poder aseverar que la conquista del cerebro humano se ha logrado.

Reto 1: los componentes fundamentales del cerebro

Nunca comprenderemos el cerebro humano si no entendemos su estructura y composición. En los últimos 150 años hemos avanzado muchísimo describiendo los principios de su organización general gracias a Santiago Ramón y Cajal, quien a finales del XIX ya reconoció que las neuronas son el principal componente del sistema nervioso. A los hombros de este gigante, numerosos descubrimientos han devenido en las décadas siguientes, aunque todavía quedan muchos detalles cruciales por conocer sobre la estructura y los componentes fundamentales del sistema nervioso.

En primer lugar, tenemos que comprender con todo detalle las moléculas del cerebro. Una célula es un conglomerado de moléculas (esencialmente proteínas, ácidos nucleicos y azúcares) rodeado por una capa de lípidos (grasa) que lo envuelve. A día de hoy, todavía desconocemos cuál es el conjunto completo de proteínas que contienen las neuronas. Como las proteínas son los principales ejecutores de los procesos bioquímicos que definen lo que una célula es capaz de hacer, aún desconocemos exactamente qué es lo que individualmente puede hacer cada una de las neuronas del cerebro.

En segundo lugar, hay que avanzar mucho en comprender la composición celular e interconexión dentro de los numerosos grupos y estructuras de neuronas que existen en el cerebro. Conocemos centenares de regiones cerebrales que los neurocientíficos han ido cartografiando durante décadas como marineros intrépidos estableciendo un mapa grosso modo de los continentes, países y regiones, pero desconocemos quiénes son y qué diversidad hay entre los habitantes de cada zona. Sabemos que no todas las neuronas son iguales. De hecho, sabemos que hay una gran diversidad neuronal y que ello contribuye de forma crucial al funcionamiento del cerebro, pero no sabemos ni cuántos tipos hay en total (el atlas celular) ni por qué son diferentes.

Una neurona puede distinguirse de otra en su composición molecular exacta y en el patrón de conexiones con otras. Las neuronas se conectan mediante las sinapsis, a través de las cuales se envían pequeños paquetes de señales químicas, los neurotransmisores, que comunican un mensaje encriptado. Un mismo paquete no significa lo mismo en conexiones entre distintos lugares del cerebro. Por eso, averiguar el trazado exacto de las conexiones de todas y cada una de las neuronas del sistema nervioso (el conectoma) es también una parte fundamental del reto de entender la estructura material del cerebro humano.

Reto 2: la construcción del cerebro

Describir cómo se construye un organismo con miles de millones de células organizadas en múltiples niveles de detallada complejidad es una de las grandes aventuras de la biología en general y, por supuesto, también de la neurociencia. Explicar el desarrollo embrionario del cerebro es, en gran medida, la respuesta al dilema «genes–entorno», porque ambos se entrelazan en el moldeado del cerebro; igual que en la morfología final de una escultura se plasma la labor del escultor (el efecto del entorno) y las características de la materia utilizada (el efecto de los genes).

Sabemos que ya al nacer el cerebro humano y el de otros mamíferos cuenta con una diversidad de neuronas importante. La pregunta que se deriva inmediatamente es: ¿cómo se genera tal diversidad en el desarrollo embrionario? Sabemos que las neuronas, poco después de nacer, viajan dentro del cerebro en un proceso llamado migración neuronal en el que recorren hasta varios milímetros de distancia. Aterrizadas en su posición final, las jóvenes neuronas comienzan a extender prolongaciones para establecer sus conexiones con otras neuronas. Ramas dendríticas y axones viajan nuevamente distancias maratonianas hasta sus dianas correspondientes para, finalmente, entablar múltiples contactos (muchos son luego eliminados). Este es el proceso de poda sináptica con el que las conexiones entre neuronas se refinan, quedando solo las que mejor funcionan.

El reto sigue siendo comprender con todo detalle molecular el proceso exacto de migración y establecimiento de conexiones sinápticas de cada uno de los tipos de neuronas del cerebro, y entender de qué forma sus anomalías dan lugar a enfermedades neuropsiquiátricas como esquizofrenia, autismo y discapacidades intelectuales en las que hay alteraciones en estos procesos.

La migración y el establecimiento de conexiones sinápticas son procesos muy importantes, pero no son la totalidad de los fenómenos implicados en la construcción del cerebro. Un proceso fundamental es el plegado de la corteza cerebral, que ha resultado de gran relevancia en la evolución humana. Del mismo modo, el origen mismo de las neuronas, especialmente en el cerebro adulto, sigue siendo un tema de debate en la actualidad. Hasta los años 80 se pensaba que todas las neuronas del cerebro humano adulto se formaban antes de nacer. Sin embargo, investigaciones recientes, como las de la neurocientífica española María Llorens-Martín, apuntan a que efectivamente se forman nuevas neuronas en el cerebro humano adulto. De ser así, el reto de cara al futuro es determinar si la generación de nuevas neuronas en el cerebro adulto pudiera tener un potencial terapéutico en patologías caracterizadas por la neurodegeneración o muerte neuronal.

Reto 3: la computación en el sistema nervioso

Si los retos 1 y 2 tratan de explicar la estructura y la construcción del cerebro, este consiste en entender el funcionamiento básico de sus componentes fundamentales, lo cual nos lleva a la cuestión fundamental de la computación y la codificación de información en el sistema nervioso.

Efectivamente, las neuronas son procesadores de señales. Reciben mensajes de entrada (neurotransmisores que les llegan de otras neuronas) que son integrados/procesados para emitir mensajes de salida (neurotransmisores que liberan sobre otras neuronas) dando una respuesta determinada. A menudo, para explicar la computación, se utiliza el paralelismo entre cerebro y ordenador, que es útil, pero tiene sus limitaciones. Sabemos que un transistor de silíceo en un ordenador puede actuar básicamente como interruptor o como amplificador de señales, como las neuronas. Pero no sabemos qué otras actividades computacionales llevan a cabo las neuronas. Seguimos sin entender cuál es la caja de herramientas de computación neuronal.

Por otra parte, aún no comprendemos completamente la codificación de información en el sistema nervioso. ¿Cuál es el significado, qué información contienen, los impulsos nerviosos que descargan las neuronas? Así como las neuronas sensoriales de los órganos de los sentidos codifican información del entorno (luz, contraste, frecuencia de sonido, etc.) o las neuronas motoras codifican instrucciones que mueven los músculos del cuerpo, la información contenida en la actividad de las neuronas en regiones profundas del cerebro es más abstracta y enigmática.

A menudo, distintos tipos de neuronas muestran patrones de descarga peculiares que cambian dinámicamente en función del contexto y la situación previa. Hay neuronas que descargan potenciales de acción aislados, otras que descargan ráfagas, algunas descargan con mayor o menor frecuencia. Todo este repertorio sugiere un «lenguaje neuronal» que hay que descifrar. El reto es comprender exactamente cuál es el contenido de información de cada uno de esos impulsos nerviosos y patrones de descarga en cada momento, situación y comportamiento.

Reto 4: de las neuronas al comportamiento

Comprender la estructura y el funcionamiento esencial de las células del sistema nervioso de manera aislada no es suficiente para explicar el cerebro. Las neuronas no actúan solas, se coordinan en la ejecución del comportamiento. Cuando un animal se mueve, miles o decenas de miles de neuronas se activan de forma sincronizada para generar dicho movimiento. El reto, pues, es saber cuáles son y comprender cómo se coordinan esas neuronas.

Hasta hace poco, solo podíamos analizar una o pocas neuronas mientras un animal exhibe un comportamiento y tampoco podíamos saber la identidad exacta de esas neuronas, pero el panorama está cambiando a marchas forzadas, gracias a la irrupción de nuevas tecnologías como la optogenética, que permite modular la actividad de neuronas con una precisión sin precedentes. Con esta técnica, en los últimos 15 años se han ido diseccionando los circuitos neuronales implicados en múltiples conductas. Además, recientemente, por primera vez, se ha utilizado en humanos logrando que una persona que padece una ceguera congénita recupere la visión, restableciendo la capacidad de su retina de enviar señales visuales hacia el cerebro.

Combinando esta capacidad de perturbar la actividad neuronal con nuevas tecnologías para monitorizar la actividad de múltiples neuronas, estamos empezando a establecer los circuitos exactos que median conductas concretas. El reto siguiente es ir más allá de la visión y otras funciones sensoriales o motoras para adentrarnos en las profundidades del cerebro. Queda pendiente explicar la maquinaria responsable de las intimidades de la mente humana, sobre todo de los aspectos que más nos diferencian de otros animales.

Para comprender el cerebro humano, tendremos que descubrir los circuitos exactos que median el lenguaje humano y su aprendizaje. Con esta información, probablemente sea posible potenciar estos mecanismos y corregirlos en disfunciones del lenguaje, incluso, diseñar interfaces cerebro-ordenador que permitan comunicarse de manera más eficaz a personas que han quedado completamente inmovilizadas por enfermedades neurodegenerativas. De hecho, ya se ha logrado que personas inmovilizadas por esclerosis lateral amiotrófica tengan comunicaciones básicas mediante dispositivos que leen la actividad cerebral en áreas sensorimotoras y en la corteza prefrontal.

También tendremos que esclarecer otras peculiaridades del comportamiento humano como la capacidad de viajar mentalmente en el tiempo, una de las propiedades distintivas de la memoria episódica humana. Cuando recordamos el primer beso, el nacimiento de un hijo o la graduación en la universidad, el ser humano es capaz de evocar subjetivamente el lugar y el instante en el que sucedieron esos eventos. Se sabe que esta capacidad de viajar mentalmente en el tiempo depende de una región del cerebro llamada el lóbulo temporal medial que contiene el hipocampo, una estructura importante en distintos aspectos de la memoria en humanos y otros animales. Sin embargo, al igual que en otros procesos cerebrales, quedan muchos detalles por esclarecer sobre los actores celulares y moleculares implicados. Comprenderlo bien es un objetivo de futuro que podría traer consecuencias clínicas en el abordaje de enfermedades en las que la memoria se deteriora.

Pero quizá el mayor reto sea explicar cómo surge la consciencia humana y lo que se denomina el problema duro de la consciencia. ¿De qué forma, de una materia tangible y concreta (el tejido nervioso), emerge la aparentemente intangible sustancia de la mente y la consciencia? El gran debate es si la consciencia es la suma de las partes que lo componen o una propiedad emergente. Para algunos autores, explicar la consciencia es una cuestión de explicar los mecanismos de todos los fenómenos mentales implicados (procesos atencionales, toma de decisiones, memoria episódica, etc.). Para otros autores, explicar esas partes de la consciencia representa el problema «fácil». Según esta visión, una vez resueltos los problemas fáciles todavía no se habrá explicado la consciencia porque la experiencia consciente es más que la suma de sus partes y, por tanto, es irreductible.

Reto 5: más allá de las neuronas

Hasta ahora solo hemos hablado de neuronas, pero el sistema nervioso no solo está compuesto de neuronas. El segundo gran componente celular, y de hecho tan abundante, son las células de la Glía. Se encuentran entremezcladas con las neuronas y, aunque tradicionalmente se había considerado que realizaban una función secundaria (de soporte estructural, nutricional y protección a las neuronas), investigaciones recientes están revelando que desempeñan funciones importantes en la respuesta inmunológica a infecciones, en la maduración de los circuitos neuronales (en el proceso de poda sináptica que contribuye al refinamiento de las conexiones) y también modulando directamente la transmisión sináptica entre neuronas. Así pues, estas células también deben considerarse como actores principales del sistema nervioso, pero su papel exacto es aún menos conocido que el de las neuronas.

Por otro lado, hay células que incluso sin estar localizadas en el cerebro, e incluso sin ser células humanas, podrían tener influencias importantes sobre este órgano. Se trata de las bacterias que viven en el intestino, la llamada microbiota intestinal que, a través del llamado eje intestino-cerebro, podrían tener un papel importante en el origen de diferentes enfermedades neurológicas. De entre todas, su implicación en la enfermedad de Parkinson está cobrando pulsión en años recientes. Se ha descubierto que una alteración de la microbiota intestinal precede al inicio de síntomas motores en esta enfermedad, proponiéndose que de algún modo los metabolitos liberados por las bacterias intestinales podrían influir en el cerebro e iniciar los procesos neurodegenerativos. No obstante, la conexión exacta es poco conocida y queda como reto pendiente por describir.

Otros retos

Explicar la cotidianeidad del cerebro es un paso necesario. No podemos olvidarnos de sus enfermedades: comprender el origen y las causas, entender sus factores de riesgo y lograr tratamientos y programas de prevención eficaces y seguros son grandes retos pendientes en la mayoría de los casos. Será también importante comprender cuáles son los umbrales que separan lo normal de lo patológico y reconocer la diversidad que existe dentro de la categoría de lo normal, para evitar el sobretratamiento como el infradiagnóstico que tanto perjuicio causan hoy. Para que los beneficios de la investigación alcancen al conjunto de la humanidad será importante mejorar la inclusividad y representatividad de los sujetos de las investigaciones, acogiendo, además de varones caucásicos, mujeres y otros grupos. Metodológicamente, hay que mejorar la reproducibilidad de los resultados de investigación para que la disciplina avance sobre premisas sólidas.

A medida que se democraticen los dispositivos para la intervención y monitorización de la actividad cerebral, serán necesarias regulaciones o neuro-derechos que eviten el uso abusivo de los datos cerebrales, como propone el neurocientífico Rafael Yuste. Comprender el origen cerebral de las conductas socialmente reprobables tendrá consecuencias sobre la concepción legal de la culpabilidad o la inocencia ante hechos delictivos. Será un reto integrar los hallazgos de la neurociencia en el marco regulador tanto en lo penal como en otros dominios de la justicia y la ley.

En otras dimensiones de la sociedad, se anticipa que la neurociencia revolucionará la concepción y el ejercicio de la economía. Desde la llamada neuroeconomía hasta el neuromarketing, comprender el cerebro permitirá afinar la manera en que las empresas venden sus productos y tienen éxito comercial.

¿Comprenderemos el cerebro?

Es imposible a priori saber si algún día comprenderemos el cerebro humano en su totalidad. Lo que sí podemos afirmar es que el intento de explicarlo está garantizado porque la curiosidad humana es imparable y porque abordar las enfermedades devastadoras que lo adolecen es una necesidad apremiante.

Hace pocas semanas, en Twitter, una neurocientífica de la Universidad de Harvard bromeaba con un meme en el que aparecía un conocido presidente colgando una medalla a otra persona cuyo rostro también era el del propio presidente. El texto rezaba: «Yo, hablando de la importancia del cerebro humano». Un neurocientífico es, al fin y al cabo, un cerebro humano hablando de sí mismo, de su propia complejidad. Es la paradoja del neuro-narcisismo, que nos enseña a reconocer tanto la importancia como los propios sesgos de nuestro cerebro humano. ¿Comprenderemos el cerebro humano? Seguramente, más importante que obtener una respuesta afirmativa serán los numerosos hallazgos interesantes que con toda probabilidad se descubrirán en el camino.

 

José Viosca Ros es doctor en neurociencias y bioquímico. Director Científico en Xpeer Medical Education. Autor de El cerebro, Mentes prodigiosas y Creando el mundo.

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