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Fisiología

La reinterpretación del cerebro

Fred Gage, el descubridor de la neurogénesis en los adultos, investiga la función de las nuevas neuronas

INSTITUTO SALK PARA PESQUISAS BIOLÓGICASEl mundo paró para repensar todo lo que se sabía sobre la estructura y el funcionamiento del cerebro cuando el neurocientífico estadounidense Fred Gage publicó en 1998, en Nature Medicine, las primeras evidencias sólidas de que el sistema nervioso central humano sigue generando nuevas células después de adulto. Producto de años de trabajo de los equipos de Gage y de otros investigadores, esta constatación marcó una fase de descubrimientos que estremecería las nociones estructura y evolución del cerebro planteadas casi un siglo antes por Santiago Ramón y Cajal.

Ramón y Cajal, un médico e histólogo español, identificó la arquitectura microscópica del sistema nervioso central y afirmó que, una vez concluida la fase de desarrollo, el cerebro quedaría fijo e inmutable, ya que la “fuente de crecimiento y regeneración” de las células cerebrales se secaría definitivamente. Doce años atrás, Gage conquistó su sitial en la historia de la ciencia occidental al demostrar que esa idea no era más válida, al menos no lo era para el cerebro entero.

Desde que confirmó la proliferación de células en el cerebro adulto, un fenómeno conocido como neurogénesis y descrito en cooperación con el sueco Peter Eriksson, Gage no dejó de desarrollar nuevos experimentos para identificar la función de esas neuronas jóvenes.

Considerado uno de los más influyentes neurocientíficos de la actualidad, Gage coordina un laboratorio en el que trabajan alrededor de 40 personas en el Instituto Salk de California, desde donde ya han salido poco más de 600 artículos científicos, citados en otros 57 mil trabajos.

En visita a la ciudad de Caxambú, Minas Gerais, en donde participó en septiembre en el XXXIV Congreso de la Sociedad Brasileña de Neurociencias y Comportamiento, Gage comentó de qué modo confirmó la existencia de la neurogénesis en lod adultos y se refirió a sus proyectos en andadura.

¿Su interés en la capacidad del cerebro adulto de generar nuevas células surgió cuando usted estaba en la facultad?
Fue un poco más tarde. Cuando yo era estudiante de grado, estaba interesado en descubrir de qué modo reacciona el cerebro adulto ante las lesiones. Es la llamada neuroplasticidad en adultos, que empecé a investigar en los años 1970, cuando aún creía que el cerebro era prácticamente inmutable una vez que se había desarrollado. En esa época se empezó a demostrar mediante ciertos experimentos que existía la posibilidad de que el cerebro tuviese alguna capacidad de recuperación luego de sufrir daños.

¿Ya en aquel tiempo?
Sí, ya en aquella época. No era aún la capacidad de producir nuevas neuronas. Pero si una neurona fuese cortada, parecía que era capaz de crecer nuevamente, de brotar. Como era un crecimiento muy limitado, nosotros pensamos: “Si pueden crecer un poco, a lo mejor es posible hacerlas crecer más”. Entonces se empezó a estudia mejor eso, y así nos dimos cuenta de que la plasticidad era mayor aún. Yo tenía 18 ó 19 años cuando fui a trabajar en un laboratorio, y allí empezó a quedarme claro a mí que el cerebro tenía mucho más capacidad de recuperarse de lo que nosotros nos imaginábamos. Pero el descubrimiento de que podrían surgir nuevas neuronas fue mucho después.

¿Usted llegó a eso con base en esos trabajos de los años 1970?
No fue exactamente así, tan linealmente. Yo estaba ocupado intentando entender cuál es la capacidad de regeneración de diferentes áreas cerebrales. Antes de que yo me metiera en ese tema, ya existían evidencias, o al menos artículos publicados que sostenían que podían existir células dividiéndose en el cerebro adulto. Pero mucha gente no lo creía posible. El investigador que descubrió ese fenómeno, Joe Altman, todavía vive, pero abandonó el área prematuramente porque nadie le creía.

¿El también tenía la idea de que la proliferación de células sucedía en el hipocampo, la región cerebral asociada a la formación de la memoria de larga duración y a la capacidad de ubicación espacial?
En cierta forma sí. Y también en el cerebelo. Pero empleaba una técnica distinta, que no permitía cuantificar y no era suficientemente consistente. Ahora, cuando analizamos lo que él hizo, lo vemos de otra manera. Fue realmente notable. Después, a comienzos de los años 1980, un investigador [Fernando Nottebohm] demostró que había división celular en el cerebro de pájaros adultos.

¿En el aprendizaje de nuevos cantos?
Fue lo que él dijo. Las neuronas se morían durante una temporada y nuevas neuronas surgían cuando los pájaros aprendían un nuevo canto. Pero fue algo muy controvertido. Ese investigador empleó los mismos métodos que el otro había utilizado y eso generó una batalla, pues los métodos no eran convincentes. Otros grupos, empleando las mismas técnicas, no lograron reproducir los resultados. Pero recuerdo haber prestado atención a lo que él había dicho y era realmente impresionante. Aún había gente intentando repetir los experimentos y yo entré en esa historia de manera distinta. Yo trabajaba con una proteína, el factor de crecimiento de fibroblastos [FGF]. Había estado en Suecia y fui a California a mediados de los años 1980 llevándome lo que había aprendido de biología molecular y de virología.

Fue el comienzo de todo.
Yo sabía que ése era el camino que la neurociencia debería seguir. Entonces agarramos el gen que codifica ese factor de crecimiento y lo insertamos en células. La idea era implantar esas células en el cerebro y ver qué haría el factor de crecimiento. La clonación de genes y la terapia génica estaban empezando. Ese gen había sido recién descubierto en el Salk por Roger Guillemin [quien recibió el Nobel de Medicina en 1977 por sus estudios con neuropéptidos]. Logramos clonarlo, lo insertamos en fibroblastos y dejamos células cerebrales en cultivo con fibroblastos para ver si crecían. De un momento a otro, las neuronas jóvenes empezaron a proliferar locamente. La placa fue tomada por células. Entonces pensé: “¡Dios mío, me parece que descubrimos algo nuevo!”. Al principio pensamos que algo en los fibroblastos podría haber causado alguna reacción y pasado a secretar un factor de crecimiento desconocido. Fuimos a hacer química de proteínas para descubrir qué había pasado. El vector que usamos produjo muchas proteínas y nunca se había observado el efecto de altas concentraciones de FGF en neuronas jóvenes. Bajas concentraciones hacen que las neuronas crezcan y concentraciones elevadas hacen que se dividan. Gerd Kempermann y Malcolm Schinstine estaban en mi laboratorio, y dijimos: “Miren, está ocurriendo esa historia loca: las neuronas que se dividen en el cerebro. De ser verdad, a lo mejor podemos insertar fibroblastos en el cerebro y producir nuevas neuronas”.

¿Y qué pasó?
Bien, entonces leímos lo que ya había sido publicado sobre el tema e intentamos repetir el experimento, pero no logramos replicar los datos. Me di cuenta de que el problema era la marcación de las células. La forma de detectar si una célula estaba dividiéndose era marcándola con un elemento radiactivo y contando los puntos que quedaban registrados en una emulsión fotográfica. Era algo totalmente manual. Más tarde se desarrolló un análogo químico con alta afinidad con anticuerpos. Cuando se les administra ese análogo a las células, el mismo se integra al ADN. Los anticuerpos son entonces capaces de adherirse a aquellas células y ubicar el núcleo con precisión. Empleamos ese compuesto, llamado BrdU [bromodeoxiuridina], para detectar la neurogénesis en adultos. En esa época empezamos a usar la microscopía confocal. Olympus nos dio una máquina y logramos ver cómo el BrdU marcaba a los anticuerpos. También descubrimos que alguien había usado un anticuerpo para marcar núcleos de neuronas maduras. Entonces fui a Michigan, conseguí el anticuerpo contra el marcador neuronal conocido como NeuN y marcamos doblemente a las células, con BrdU y NeuN. Con el microscopio confocal pudimos diseccionar neurona por neurona, reconstruirlas en forma tridimensional y comprobar que aquellas células estaban dividiéndose.

BIOLÓGICAS¿Como lograron ver si eso estaba sucediendo in vivo?
Tuvimos que inyectar BrdU en animales. Cuatro o cinco técnicas estaban en desarrollo y empezamos a usarlas lo más rápido que pudimos.

¿Usted ya estaba en la búsqueda de la neurogénesis en el hipocampo en esa época?

No. Fui capacitado para trabajar con el hipocampo. Pero no andaba en busca de la neurogénesis. Nadie le prestaba atención a eso. Yo investigaba las conexiones entre el septum y el hipocampo, intentaba reconstruir esa vía. Hicimos los experimentos, nos convencimos de eso y publicamos varios artículos científicos. Lo más importante que hicimos fue mostrar que la neurogénesis se produce y que la experiencia en ciertos ambientes puede alterar la cantidad de células. En general, los ratones de laboratorio comparten una pequeña jaula con otros animales. Ese ambiente es restrictivo, pues no les permite a los animales explorar algo más allá de él. Uno de los experimentos que hicimos consistió en sacar a los animales que vivían en pequeñas jaulas y ponerlos ambientes mayores, ricos en juguetes y otros objetos que estimulasen la curiosidad y la capacidad exploratoria. En esos animales observamos un incremento de la cantidad de células del hipocampo. Pero todavía había dudas con relación a la cuantificación del fenómeno. Por eso se desarrolló una nueva técnica, la estereología, que permite contar la cantidad exacto de células. Esa técnica, aliada a la microscopía confocal y a la marcación doble, permitió demostrar no solamente que existen más células dividiéndose en el hipocampo de un animal adulto, sino también que la cantidad de células aumenta hasta un 15% solamente mediante alteraciones en el ambiente. En general el giro dentado del hipocampo de un ratón común tiene 300 mil células. Al cabo de un mes, los animales del grupo control siguen exhibiendo 300 mil células en esa región, en tanto que los animales que pasaron ese tiempo en un ambiente con más objetos tienen 350 mil células. Así fue como logramos convencer a todos de que no era la marcación de las células con BrdU lo que generaba ese resultado, sino que realmente había más neuronas. La cuestión siguiente fue ver si eso también sucedía en los seres humanos. En la época supimos que algunas personas habían sido tratadas con BrdU, que marca a las células que están dividiéndose, para evaluar la progresión del cáncer. Cuando esas personas se morían, sus cerebros iban a patología. Llamé por teléfono a colegas patólogos de laboratorios de cáncer y les pregunté si tenían pacientes tratados con BrdU y si tenían sus cerebros. Obtuvimos algunas muestras, pero estaban fijadas en parafina. De cualquier modo, vimos BrdU en el hipocampo de esos cerebros, tres años antes de publicar el artículo de 1998. Pero eso no era suficiente, pues no podíamos hacer la doble marcación de las células, y pensamos: “Nadie confiará en nuestro trabajo”. Dos de mis posdoctorandos que habían regresado a sus países, uno a Finlandia y otro a Suecia, intentaron entrar en equipos que realizaban ensayos clínicos con personas que tenían cáncer en un órgano periférico y estaban siendo tratadas con BrdU. Esperábamos incluso hasta que muriesen y entonces las enfermeras, acompañadas por esos posdoctorandos, extraían el cerebro fresco y lo enviaban al Salk. Lo observábamos en el microscopio y veíamos cómo las células estaban dividiéndose. Entonces empecé a llamar a las personas de mi laboratorio y de otros que no estaban involucradas en esa investigación para que vieran aquello. Theo Palmer, que no es autor del artículo, era un colega que en esa época era realmente crítico. Y que decía así: “Creo en esto, no creo en aquello”.  Trabajamos hasta contar con una cantidad suficiente de muestras en las cuales confiásemos.

La mayor parte del trabajo consistió en desarrollar herramientas que permitiesen ver la reproducción de células en el cerebro.
Sabíamos que debíamos convencer a personas extremadamente escépticas. En el artículo mostramos tres o cuatro técnicas distintas de marcación de células que empleamos en el trabajo. Nature y Science no aceptarían revisar el artículo, pero el editor de Nature Medicine de la época arriesgó y dijo: “¡Esto es realmente sorprendente!” Y le envió el artículo a un montón de gente para que lo evaluase, incluso a nuestro mayor rival. Aún  hoy en día la posibilidad de que alguien diga que fue un artilugio de la técnica empleada nos preocupa. Pero nadie lo ha hecho hasta el momento.

BIOLÓGICAS¿La neurogénesis se produce en únicamente en dos regiones del cerebro?
Bien, existen dos regiones en las cuales ocurre con regularidad y es fácilmente detectable. Algunas personas han informado que también se produce en otros lugares. Pero los datos no son confiables. Cuando se analiza la médula espinal, se ve que existen células madre en todos lados, pero que no producen nuevas neuronas. Están en un estado de latencia. Mi impresión es que esas células se encuentran en ese estado porque el ambiente no es adecuado para que se transformen en neuronas. Parte del reto consiste en descubrir qué hacer para que las células madre neurales generen nuevas neuronas.

¿La neurogenesis sucede con regularidad en el hipocampo y en el bulbo olfatorio?
Sí. Existe  otra región también, ubicada en el interior del cerebro, llamada zona subventricular. Ahí es donde se subdividen las células. Luego migran a una gran distancia hasta el bulbo olfatorio. Es una trayectoria interesante, pues el camino recorrido es largo. En tanto, el hipocampo está dos o tres capas de células abajo y la migración ocurre muy rápidamente. Y es más fácil estudiarlo.

¿Qué es lo que dispara la migración?
Pasó mucho tiempo hasta convencer a la gente acerca de qué sucedía. El paso siguiente fue cerciorarse de que esas neuronas maduraban, Que hacían conexiones, que se volvían activas. Ahora estamos intentando descubrir por qué sucede eso.

¿Ya se sabe cuál es la función de esas neuronas nuevas?
Una idea que emergió nuevamente es que esa región del hipocampo está implicada en la discriminación de objetos distintos, en la determinación de qué los distingue. Uno de los test destinados a detectar eso se hace al mostrar dos objetos similares en secuencia. Primeramente se muestra uno aisladamente, y luego los dos al mismo tiempo. Estas situaciones activan una región del hipocampo llamada giro dentado. Se busca la imagen del objeto exhibido anteriormente, y se la compara con la imagen actual de ambos. Es necesario tener alguna memoria del primer objeto para evaluar la semejanza de los mismos. Las células jóvenes son las que se activan nuevamente cuando se observa el patrón nuevo [dos objetos mostrados juntos]. Las células antiguas están ocupadas buscando diferencias entre el patrón anterior y el nuevo, ya que había solamente un objeto al principio y ahora hay dos. Ésa es una diferencia, pero lo que se está intentando detectar es qué es distinto entre ambos objetos. Estamos trabajando en colaboración con neuropsicólogos para crear test que intenten demostrar eso empíricamente. Primero les mostramos a los voluntarios una imagen con dibujos complejos, después dos imágenes similares y luego les preguntamos cuál de éstas es igual a la primera. En el primer nivel es fácil porque la diferencia es grande. Pero mostramos alrededor de 50 pares de imágenes con patrones que se van volviendo cada vez más parecidos entre sí. Estamos intentando ver hasta qué punto las personas logran distinguirlas.

¿De qué manera podría emplearse este conocimiento para entender enfermedades que afectan a la memoria, como el Alzheimer?
Tenemos que crear test para seres humanos, porque en todas estas enfermedades se registra una reducción del nivel de neurogénesis. Y existen solamente test clínicos muy genéricos. La verdad es que no es necesario tener un hipocampo para discriminar dos cosas bastante distintas entre sí. Se puede usar solamente la corteza visual para eso. Cuando conversamos, analizamos un montón de información. Intentamos entender qué se dice, traducir nuevamente a la lengua materna y analizar los gestos, para intentar, con base en las referencias personales, darle sentido a lo que está diciéndose. Las células que surgen en la neurogénesis parecen particularmente importantes para efectuar estas asociaciones. Existen tres partes en esta cuestión. La primera es esa separación de patrones. La segunda es que, cuando son jóvenes, esas células ayudan a formar memorias. Por último, luego de madurar, contribuyen en la distinción entre imágenes con patrones similares. Es lo que nuestro modelo matemático nos indica y lo que nuestros experimentos están demostrando. La otra parte es que así vamos probando si lo que las células aprenden cuando jóvenes queda almacenado en ellas. Posteriormente, cuando un mismo evento se le presenta a aquella misma célula, ésta se acuerda de ello. Esto es muy instigador y nos llevó a hacer experimentos con animales genéticamente alterados para que las neuronas que se acuerdan de las experiencias iniciales queden marcadas de un color diferente de aquéllas que se acuerdan de las experiencias tardías, las experiencias que suceden luego de un cierto tiempo. Pretendemos mapear el patrón de expresión génica de las células que se acuerdan del evento y el de las que no se acuerdan.

¿Existen evidencias de la diferencia de expresión genética en esas células?
Estamos intentando ver eso. Existen diferencias entre neuronas vecinas. El material genético es distinto y también lo es la expresión génica. Además, las alteraciones ambientales insertan informaciones en el ADN. Puede ser un fenómeno epigenético, que altera el funcionamiento de los genes. Ese efecto está siendo estudiado por un ex posdoctorando mío [el brasileño Alysson Muotri, docente de la Universidad de California en San Diego]. Ésa es la frontera del conocimiento.

¿Sería posible emplear el conocimiento sobre neurogénesis para ayudar en la diferenciación de células madre, corregir lesiones o tratar enfermedades?
En la depresión el hipocampo se encoge. La conexión con esos datos es sutil. No son dados míos, están ahí. Por alguna razón, el cerebro de alguien que está siendo tratado con antidepresivos de la clase del Prozac [un inhibidor selectivo de la recaptación de serotonina] se encoge menos.

¿Pero es cuestionable?
No. Los datos son los datos. Pero no dicen mucho. Los experimentos que hicimos mostraron que el Prozac induce la división celular. Pero dividir no es suficiente. Las nuevas células deben convertirse en neuronas. Eso tarda entre cuatro y seis semanas. Los psiquiatras vieron eso y enloquecieron. Dijeron: “Por eso tarda tanto hasta que los medicamentos funcionan”. Esos medicamentos aumentan la disponibilidad de serotonina, y células madres dispuestas en una placa de vidrio con serotonina se dividen alucinadamente. Es así que funciona, por medio de los receptores 5HT1A, que inducen la proliferación. Ahora se están haciendo ensayos clínicos con drogas que actúan sobre la neurogénesis y no interactúan con el 5HT1A. Pero es todo incipiente. En casi todas las enfermedades neurodegenerativas, en el Alzheimer, en  el Parkinson, existe una reducción de la neurogénesis.

Además de la muerte celular, existe una reducción de la neurogénesis.
La duda es si es la enfermedad la que causa directamente la disminución de la neurogénesis o, como nosotros creemos, la enfermedad deja al animal letárgico y eso lleva a la reducción de la neurogénesis. Cuando se restringen los movimientos del animal, éste se estresa y la neurogénesis disminuye. Es posible que la caída del ritmo de neurogénesis sea una consecuencia del cambio comportamental causado por la enfermedad. Pero eso está siendo verificado. Sabemos que uno de los problemas que los pacientes tienen en el Parkinson y en el Alzheimer es su dificultad de saber en dónde están. Se pierden todo el tiempo. A lo mejor no se logra detener la enfermedad, pero si tratar a algunos componentes y así permitir que la gente se las arregle mejor con ella. Ésa es mi meta optimista.

¿Cuál es la tasa de neurogénesis?
Depende de la especie y de la edad. Es mucho más alta cuando se es joven. Y después cae. En los ancianos es muy baja.

¿Nunca se detiene completamente?
La neurogénesis es afectada por el grado de actividad. Un ratón anciano, de 18 meses, prácticamente no exhibe neurogénesis. De tener acceso durante un mes a una jaula con una rueda [en la cual pueda se ejercitarse voluntariamente], o a un ambiente más rico, exhibirá la misma cantidad de neuronas dividiéndose que un animal joven que no hace ejercicio. Pocos animales ancianos desarrollan nuevas neuronas funcionales, pero animales lo logran. Y las células que se transforman en neuronas pasan exhibir todas las ramificaciones.

Entonces los que pretenden mantener una buena memoria deben correr, o al menos caminar.
No, pero me parece que deben mantenerse activos física o intelectualmente. No está claro todavía cuál es la relación entre el correr y la neurogénesis. En parte ese efecto es causado por la serotonina. Cuando uno se mueve, el núcleo del rafé se activa y secreta serotonina en el hipocampo. Pero la actividad cardiovascular también aumenta cuando se está en movimiento y una proteína llamada IGF1 [factor de crecimiento insulínico 1] es liberada en la sangre. En el lugar donde ocurre la neurogénesis existen vasos sanguíneos que pueden estar liberando IGF1. Otras personas han demostrado que, cuando se impide la actividad de la IGF1, se bloquea la proliferación de neuronas. Es un fenómeno multifactorial. Y aún no lo conocemos bien.

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