El agua marca la pauta de la actividad cerebral

Para observar el cerebro en acción, los científicos y los médicos utilizan técnicas de imagen, entre las que la resonancia magnética funcional (fMRI) es la más conocida. Estas técnicas no se basan en observaciones directas de impulsos eléctricos de las neuronas activadas, sino en una de sus consecuencias.

De hecho, esta estimulación desencadena modificaciones fisiológicas en la región cerebral activada, cambios que se hacen visibles por imágenes. Hasta ahora, se creía que estas diferencias eran solamente debido a modificaciones de la afluencia de la sangre hacia las células.

Mediante el uso de imágenes por señales ópticas intrínsecas (IOS), investigadores de la Universidad de Ginebra (Unige, Suiza), han demostrado que, al contrario de lo que se pensaba, está involucrada otra variación fisiológica: las neuronas activadas se hinchan debido a la entrada masiva de agua.

Este descubrimiento proporciona evidencia de que un análisis mucho más fino del funcionamiento del cerebro -y de sus disfunciones- es posible. Los resultados se publican en Cell Reports.

Principalmente se utilizan dos tipos de técnicas de imagen cerebral para determinar qué áreas son estimuladas durante una actividad dada. Una de ellas es la resonancia magnética funcional, que refleja el cambio de nivel de oxígeno y las variaciones del flujo de sangre en las regiones excitados.

La localización de estas áreas se basa en un fenómeno denominado BOLD (Dependiente del Nivel Oxígeno en Sangre), relacionado con las propiedades magnéticas de la hemoglobina, que varían de acuerdo a su estado de oxigenación.

La otra técnica de formación de imágenes, denominada señales ópticas intrínsecas (IOS), detecta modificaciones de la refracción de la luz en las células cerebrales en acción, mediante el registro de una intensidad luminosa menor en las zonas activadas.

Este método se utiliza como una alternativa a la resonancia magnética funcional, en particular cuando un campo magnético puede interferir en el examen. Hasta ahora, los científicos pensaban que esta modificación del comportamiento de la luz también se debía a los cambios hemodinámicos (de la sangre).

Efecto inesperado

Alan Carleton, profesor del Departamento de Neurociencias Fundamentales de la Facultad de Medicina de la UniGe, utiliza imágenes IOS para observar el funcionamiento del bulbo olfatorio. «Obtenemos imágenes muy contrastadas en respuesta a un olor, porque miles de células sensoriales de la nariz que expresan el mismo receptor olfativo convergen en un volumen muy pequeño del cerebro».

«Nos sorprendió sin embargo observar que, si bien las señales son visibles inmediatamente después de la emisión del estímulo sensorial, el flujo de sangre no se altera hasta más de un segundo más tarde», explica el científico en la nota de prensa de la universidad, recogida por Newswise. La brecha temporal es suficientemente importante como para confirmar que, en contra de un consenso bien establecido, la señal detectada no tiene origen hemodinámico.

¿Cuál es el origen celular de las señales? En colaboración con el equipo de Iván Rodríguez, profesor del Departamento de Genética y Evolución de la Facultad de Ciencias de la UniGe, se estudió la actividad eléctrica de las distintas células implicadas en la respuesta a los olores. Esto se hizo con ratones modificados genéticamente, de modo que cada tipo de célula del bulbo olfatorio se volviera fluorescente cuando fuera estimulada.

«No se encontró ninguna señal relacionada con un cambio en la oxigenación de la hemoglobina. Sin embargo, se observó una señal emitida por las propias neuronas sensoriales, en respuesta a su propia actividad eléctrica», dice el investigador.

La señal del agua

¿Qué refleja esta señal? Los investigadores descubrieron que su origen es la entrada de agua en la neurona activa, a nivel de su axón, el «cable» a través del cual el impulso eléctrico se propaga hacia otra célula. Además, demostraron que la señal de imagen -el flujo de agua en los axones- se acopla directamente con la actividad eléctrica.

«Observamos un efecto mecánico e inmediato de activación de la neurona, en lugar de una modificación del flujo sanguíneo posterior», apunta Carleton. De este modo, se evitan las incertidumbres de la interpretación de las señales relacionadas con los flujos de sangre, que, al tener un cierto retraso y actúar de manera más global en la región cerebral estudiada, no reflejan con exactitud la zona activada.

Los movimientos de agua observados gracias a las imágenes IOS se pueden detectar también por resonancia magnética funcional.

Los científicos ginebrinos ofrecen por tanto la demostración del mecanismo celular que tiene lugar, lo que demuestra el potencial de este método. «Ambos tipos de técnica de imagen convergen: la observación de los movimientos del agua, en lugar de examinar la oxigenación de la sangre, mejora la localización de las neuronas activas y permite detectar patologías potenciales. El problema no radica en el hecho de observar una señal, sino en determinar su origen», concluye Rodríguez.

Referencia bibliográfica:

Roberto Vincis, Samuel Lagier, Dimitri Van De Ville, Ivan Rodriguez, Alan Carleton. Sensory-Evoked Intrinsic Imaging Signals in the Olfactory Bulb Are Independent of Neurovascular Coupling. Cell Reports (2015). DOI: 10.1016/j.celrep.2015.06.016