La tecnología confocal es un gran avance de la microscopía óptica, porque resuelve el problema de observar preparaciones de tejidos de cierto grosor, donde las irregularidades hacen difícil encontrar un solo plano de enfoque con la suficiente resolución.

La biología moderna se basa en el estudio de las moléculas internas de la célula y de las interacciones a nivel celular que permiten construir organismos pluricelulares.

Exceptuando algunas células especialmente grandes —como las vegetales—, la mayoría no son observables a simple vista, por lo que para estudiar su estructura necesitamos usar sistemas de amplificación. Para que os hagáis una idea, el ojo humano tiene una resolución de unas 100 micras, lo que nos permitiría ver sólo alguna célula vegetal. Las células animales son 10 veces más pequeñas, las bacterias unas 100 veces más pequeñas y los virus tienen un tamaño de nanómetros, lo que los hace completamente invisibles al ojo humano. 

FUENTE: https://histoptica.wordpress.com/microscopio-confocal-o-laser-de-barrido/

A pesar de estas dificultades, el ser humano ha intentado ver más de lo que era capaz: desde Confucio, pasando por las piedras de lectura de la Edad Media o los inventos de Marco Polo, hasta llegar a Galileo Galilei —a quien se le atribuye el descubrimiento del microscopio compuesto—, el hombre ha ido perfeccionando los instrumentos. El primer modelo comercial de microscopio compuesto se puso en funcionamiento en  1590, dedicado a los «gabinetes de curiosidades» y fabricado por los hermanos Jansen,

Hans y Zacharias. 

Asociando dos lentes convergentes en un tubo telescópico, los Jansen obtenían imágenes aumentadas hasta unas 150 veces, aunque no especialmente nítidas por las numerosas aberraciones ópticas del sistema. 

La palabra «microscopía» fue usada por primera vez por los miembros de la Accademia dei Lincei, una sociedad científica fundada en Roma en 1603 por el príncipe italiano Federico Cesi. Galileo —uno de sus miembros destacados—, fue quien regaló al príncipe Cesi un microscopio con el que Federico Stelluti realizó las observaciones sobre la vida de las abejas que publicó en su Apiarium (1625).

Primera publicación microscopista: Apiarium, de F. Stelluti (1625) FUENTE: SOLÍS, C. y SELLÉS, M. (2005) Historia de la Ciencia, pág. 338 (Ed. Espasa)

Sin embargo, para que la microscopía se instalara en los laboratorios, hubo que esperar hasta 1660, año en el que Malpighi probó la teoría de Harvey sobre la circulación sanguínea al observar al microscopio los capilares sanguíneos y Hooke publicó su obra. 

De hecho, Hooke es considerado el descubridor de la célula por sus trabajos al microscopio, a pesar de que tuvieron que pasar 200 años para el establecimiento de la Teoría Celular enunciada por Schleiden, Schwann y Turpin. 

Y así podríamos seguir describiendo el avance lento y continuo de la microscopia óptica desde el siglo XV hasta la actualidad, pero la entrada de hoy nos lleva un paso más allá y es que nos trae la MICROSCOPÍA LÁSER CONFOCAL. 

La microscopía láser confocal es una técnica de visualización de muestras microscópicas con múltiples aplicaciones para la neurociencia. Funciona de modo parecido al microscopio de fluorescencia [1], pero su principal ventaja respecto a este es que permite obtener imágenes de mayor calidad mediante técnicas de filtrado espacial que eliminan la luz de los planos que están fuera de foco. 

FUENTE: https://histoptica.wordpress.com/microscopio-confocal-o-laser-de-barrido/

La microscopía confocal fue patentada en 1955 por el científico estadounidense Marvin Minsky en sus trabajos sobre las neuronas. 

Marvin quería solventar las limitaciones de la microscopia fotónica (u óptica) clásica, que proporciona imágenes tanto más nítidas cuanto más finas sean las secciones del tejido que se está examinando. Al observar una muestra gruesa al microscopio fotónico, la imagen que se enfoca se ve contaminada por la superposición de los elementos del tejido que están fuera de foco, tanto por encima como por debajo del plano enfocado, de modo que la imagen del plano que se intenta observar se deteriora a causa de las estructuras superpuestas borrosas o no enfocadas. 

La microscopía confocal añade el principio de iluminar el espécimen punto por punto y eliminar la luz procedente de los planos no enfocados. Para ello se necesita una fuente de luz muy potente y un filtro con un agujero (o pinhole) que se coloca en el trayecto del rayo de luz. Esto permite observar tanto cortes ópticos finos como muestras de tejido más gruesas, e incluso realizar reconstrucciones en 3D a partir de cortes seriados.

Imágenes tomadas con un microscopio de fluorescencia convencional  (a, c, e) comparadas con las obtenidas con un microscopio de fluorescencia confocal (b, d, f) (FUENTE: https://aminoapps.com/c/ciencia/page/blog/tecnicas-de-microscopia/q533_W3uRunx41YQ1nNpv5mxJEqJvKRJre)

Fotografía de una célula en mitosis con un doble marcaje. Los cromosomas en verde y la actina en rojo.

Si queréis saber cómo se trabaja con un microscopio confocal no os podéis perder el video que nos han grabado Carmen y Belén (las responsables de la Unidad de Imagen Científica y Microscopía del Instituto Cajal, CSIC). Pincha en la imagen para verlo:

[1] La fluorescencia es una propiedad que tienen algunas sustancias como el colágeno, la elastina, la lignina, la clorofila y otros compuestos químicos, los cuales emiten luz de una definida longitud de onda tras absorber luz de una longitud de onda más débil. Los microscopios de fluorescencia poseen lámparas de xenón o de vapor de mercurio para iluminar las muestras. La microscopía de fluorescencia fue descubierta por los científicos Köhler y Siedentopf en el año 1908 y tiene su fundamento en la aplicación de un haz de luz a una sustancia natural presente en las células o a un colorante fluorescente aplicado al corte de una muestra. Al realizar este procedimiento, sucede entonces que la muestra refleja parte de la energía absorbida como rayos luminosos, permitiendo captar la imagen de la muestra en estudio. https://1microscopio.com/de-fluorescencia/#:~:text=Se%20conoce%20como%20microscopio%20de%20fluorescencia%2C%20a%20aquel,una%20variante%20del%20llamado%20microscopio%20de%20luz%20ultravioleta.

Marian Diamond nació para cambiar la neurociencia. Vivió fascinada por «la estructura más maravillosa de la Tierra», capaz de hacernos ser lo que somos: el cerebro. Enamorada de ese objeto, que llevaba a sus clases dentro de una sombrerera, sus investigaciones demostraron algo que Cajal ya intuyó a finales del siglo XIX: la plasticidad cerebral y el importante papel de la neuroglia. Ella misma fue el mejor ejemplo de que para mantener en forma el cerebro hay que usarlo y aderezarlo con cinco ingredientes: buena alimentación, ejercicio físico, desafíos, novedad y…¡¡¡amor!!!  

«El cerebro es la más milagrosa masa de protoplasma del mundo y, quizá, de toda la galaxia. Su potencial es virtualmente desconocido» (Marian Diamond)

Marian Diamond nació el 11 de noviembre de 1926 en Glendale, California (EE. UU.) y fue la menor de seis hermanos. Su padre, Montague Cleeves, trabajaba como médico y su madre, Rosa Marian Wamphler, dejó sus estudios doctorales para criar a la prole de ambos. La familia vivía en un veraniego entorno rodeada de árboles frutales, cabras y gallinas.

Diamond hablaba del cerebro humano como si fuera la mayor joya existente en el universo. Y así era para ella. Una visita con su padre al Hospital del Condado de Los Ángeles sembró la semilla que no dejaría de crecer en toda su vida. La neurocientífica tenía 15 años por aquel entonces. Caminaba al lado de su progenitor pasando las habitaciones cerradas del pasillo por el que avanzaban. Pero una de esas puertas estaba entreabierta. Allí, puesto sobre una mesa como un trofeo, había un cerebro humano. Era el primero que la joven Marian veía.  «Esas células pueden crear ideas», pensó. Una noción que resultó más que suficiente para que la investigadora supiera que, si estudiaba algo, estudiaría cerebros.

Así que Diamond se matriculó en la Glendale Community College para luego pasar a la Universidad de California (Berkeley, EE. UU.) en 1946. Ese sería su hogar durante las próximas décadas. Allí cursó su doctorado en anatomía convirtiéndose, en 1953, en la primera mujer en conseguirlo en aquel centro.

Diamond compaginó sus estudios de doctorado con su labor como docente, desarrollando una pasión de por vida. También en este ámbito desafío al machismo imperante. Diamond fue a la primera mujer profesora de ciencias en la Universidad de Cornell (EE. UU.) donde enseñó biología humana y anatomía comparada hasta 1958. De ahí, llevaría sus enseñanzas a la Universidad de California (San Francisco., EE. UU.) para luego regresar a Berkeley en 1960.

En Berkeley continuó con sus clases, a la par que con sus estudios en anatomía cerebral. La obsesión por el cerebro de Marian Diamon fue tal, que cambió la idea que se tenía de este órgano y revolucionó el panorama de la neurociencia.

 Un cerebro moldeable

Aunque las primeras especulaciones de Cajal acerca de que el aprendizaje exige la formación de nuevas conexiones entre neuronas datan de 1894, en la década de 1960 el  cerebro seguía viéndose como algo estático, determinado genéticamente y sin posibilidad de cambio a lo largo de la vida. Marian Diamond se propuso demostrar lo contrario, pues estaba al tanto de un estudio que establecía la existencia de cambios químicos en el cerebro adulto de mamíferos y se planteó la posibilidad de que también se produjeran en él cambios físicos estructurales. 

«Todo hombre puede ser, si se lo propone, escultor de su propio cerebro» (Santiago Ramón y Cajal)

La científica se había unido a un equipo de tres investigadores en Berkeley que buscaba pruebas de que el cerebro se veía afectado por el medioambiente y no estaba únicamente predeterminado por la genética. El grupo lo formaban los psicólogos David Krech y Mark Rosenzweig, y el químico Edward L. Bennett. Diamond completó el cuarteto convirtiéndose en la anatomista de un equipo que trabajó codo a codo los siguientes 15 años.

Marian ideo unos experimentos muy sencillos, pero efectivos, para su investigación. Crio ratas en diferentes entornos. Algunas convivían en comunidad en una gran jaula —las ratas son unos animales muy sociales que disfrutan de la compañía tanto como nosotros— y rodeadas de juguetes. Un verdadero parque de atracciones para ratas 😉. Otras vivían solas en una jaula reducida y sin nada para entretenerse. La pregunta que se hizo Diamond fue: ¿Qué producen cada uno de esos entornos en el cerebro de las ratas?

Los resultados tardaron años, pero fueron espectaculares. Con enriquecimiento —juguetes, compañía y espacio— el cerebro aumentaba sus dimensiones y con empobrecimiento, decrecía. El hallazgo implicaba que el órgano no está completamente determinado al nacer. Había oportunidad para el cambio: era plástico.  ¡Esto era algo que no se había visto nunca! Diamond corrió por el campus para enseñarle los resultados a Krech. «Esto cambiará la ciencia», le dijo el psicólogo.

El artículo del resultado de la plasticidad en el cerebro de las ratas se publicó en 1964. Las mujeres eran una rara avis en la investigación, de modo que David Krech escribió el nombre de Marian Diamond al final y entre paréntesis. Su argumento era que nunca había escrito con una mujer y que no sabía qué había que hacer. Afortunadamente, recapacitó tras la llamada de atención de ella y puso a Diamond como primera autora.

Las investigaciones de Marian tambalearon, resquebrajaron y pusieron patas arriba la concepción imperante sobre el cerebro. Aunque calar con semejante revolución en los cimientos de la neurociencia de ese momento no fue fácil.  Para la gente de la época no tenía ningún sentido que el cerebro hubiera cambiado a causa del entorno por una cosa llamada «plasticidad». Era toda una revolución del paradigma imperante.

imagen extraída de: https://www.youtube.com/watch?v=DtACi3Ht7Ro

Además de iniciar un campo de conocimiento e investigación, Diamond también impulsó de forma indirecta un cambio cultural. El concepto de entorno enriquecido es algo que cualquiera se ha aplicado o puede ver ejemplos de ello: bebés con juguetes en los que tienen que aprender a encajar formas, adictos a los sudokus para mantener la mente activa o eso de «salir de la zona de confort». Diamond estableció incluso los cinco ingredientes de la receta para tener la «mejor versión posible» del cerebro: una buena dieta, ejercicio físico, desafíos, la novedad y el amor.

La incorporación del quinto ingrediente, el amor, llegó por una necesidad metodológica: para estudiar la plasticidad en el envejecimiento necesitaban experimentar con ratas mayores de las que disponían en su laboratorio. Pero no conseguían más que ratas de unos 600 días (equivalentes a unos 60 años humanos). Les faltaba amor. Así que empezaron a darles un trato cuidadoso y cariñoso. Consiguieron de esta forma que algunos ejemplares vivieran hasta los 900 días (unos 90 años humanos). Y a esa edad comprobaron que las ratas aún mostraban cambios en el cerebro gracias a la neuroplasticidad, otro hito para la ciencia. Estos resultados se publicaron en 1985.

El cerebro de Einstein y las células gliales

Como amante de los cerebros, la científica no pudo evitar fijarse en el cerebro más cotizado de la historia: el de Albert Einstein.  Diamond leyó en la revista Science que el cerebro del físico estaba conservado y guardado en tarros de cristal. Así que preguntó si podía coger cuatro pedazos en los que estudiaría una serie de áreas que podría comparar con las de cerebros de seres humanos de inteligencia normal. Le dijeron que sí.

En 1984, 29 años después de la muerte de Einstein, Marian Diamond y sus colegas fueron los primeros en publicar una investigación sobre el cerebro del científico. Encontraron que no había algo así como unas neuronas especiales que lo hubieran convertido en un genio. En cambio, sí observaron que las células de la glía eran mucho más abundantes en uno de los cuatro pequeños fragmentos estudiados. Como era de esperar, estos resultados no estuvieron exentos de polémica, pues la metodología científica tenía cierta limitaciones, pero tuvo el mérito de subrayar la enrome importancia de las células de la neuroglía, unas células que ya nadie considera como simples asistentes de las neuronas sino, más bien, como elementos fundamentales de la cognición. De hecho, como ya explicamos en la entrada del As de Copas, en la actualidad se sabe que los astrocitos comunican a través de un sistema de señales de calcio. 

Desde que Pío del Río-Hortega describiera la microglía y la oligodendroglía a principios del siglo XX se ha ido avanzando en el conocimiento de la neuroglía. Ahora sabemos que tiene un papel relevante en aspectos clave del funcionamiento cerebral, como son las funciones cognitivas. 

Células gliales procedentes de células madre marcadas en el cerebro de ratón con códigos de color únicos  (Dra. Laura López Mascaraque, Instituto Cajal, CSIC)

Una apasionada (y famosa) docente

Marian se hizo famosa como profesora porque siempre llevaba a sus clases una sombrerera de colores. Con un hipnótico ritual, la científica abría la sombrerera, se ponía los guantes de látex que dejaba preparados en su interior y abría un recipiente del que extraía el que para ella su mayor tesoro: un cerebro humano. Lo sacaba para sostenerlo en la palma de la mano, hablando de él con una fascinación que el paso de los años nunca mermó.

Las clases de Diamond hacían reír, pensar, reflexionar, cuestionar… Tal vez ese fuera el secreto de su éxito, que se extendió mucho más allá del aula —la profesora recibía correo de todo el mundo agradeciendo sus lecciones—. En 2005, la universidad de Berkeley colgó en Youtube el curso de Introducción a la Anatomia de Diamond. Sus más de cuatro millones de reproducciones lo convirtieron en el segundo curso en línea más popular del mundo, por detrás de Moral Reasoning de la Universidad de Harvard. Actualmente está entre las 10 docentes más vistas en la red.

En junio del 2014, Marian se despidió de su despacho en Berkeley.  A sus 87 años, la científica llevaba enseñando apasionadamente desde 1954. Durante esos 60 años, Marian hizo vibrar directamente con su ciencia a unos 60 000 estudiantes, e indirectamente a los millones de personas que vieron y siguen viendo sus vídeos.

Fue, y será recordada, como una vital y competente profesora, como ella misma indicó que le gustaría serlo, a la que le encantaba compartir conocimientos y experiencias con sus alumnos y ofrecerles información que les resultara útil.

De alegría y pasión contagiosa, Diamond decía que había pasado «más de 60 años estudiando el cerebro» y «de pura alegría.»

EL CONTENIDO DE ESTA ENTRADA FUE REALIZADO EN COLABORACIÓN CON LEYRE FLAMARIQUE, DENTRO DEL PROGRAMA DE AYUDAS CSIC-FUNDACIÓN BBVA DE COMUNICACIÓN CIENTÍFICA

Nuestro palo de Copas está representado por los astrocitos, unas células gliales que brindan un menú de servicios tan completo a las neuronas que, cuando falta algún ingrediente de los platos de la carta, surgen problemas  asociados con muchas enfermedades neurológicas.   

Existen más de 600 enfermedades del sistema nervioso de naturaleza múltiple y diversa, que los neurocientíficos investigan para, conociendo sus causas, diseñar sus posibles tratamientos. 

Entre las enfermedades neurológicas podemos citar las enfermedades de la conducta y las demencias (como el alzhéimer o la demencia con cuerpos de Lewy);  las enfermedades desmielinizantes (como la esclerosis múltiple); las enfermedades neuromusculares (hay 150, donde se incluyen ataxias y trastornos del movimiento como la enfermedad de Parkinson o la enfermedad de Huntington); las infecciones del sistema nervioso (como las encefalopatías espongiformes provocadas por priones); la epilepsia; las enfermedades vasculares (como los ictus); la migraña y otras cefaleas; los tumores cerebrales (como los gliomas); las afecciones traumáticas del sistema nervioso; los trastornos del desarrollo del sistema nervioso, o los trastornos tóxico-metabólicos y carenciales, sin olvidar los trastornos del sueño y otros trastornos como los del espectro autista [1][2]. 

Se sabe que algunas son hereditarias (como la enfermedad de Huntington, neuropatías periféricas como la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth, ataxias como la de Friedreich o distrofias como la de Duchenne y Becker) y para una de ellas, la enfermedad de Huntington, se ha localizado en el genoma humano el gen mutante que la provoca. Esto permite identificar la enfermedad antes de que aparezcan sus síntomas, para anticipar sus consecuencias y afinar los tratamientos. Otras enfermedades, como la esclerosis múltiple, son de origen autoinmunitario, aunque se ignore qué es lo que provoca que sea el sistema inmunitario del individuo el que ataque sus propias estructuras nerviosas. De muchas enfermedades neurológicas se desconocen las causas exactas, pero es muy probable que exista susceptibilidad genética y factores de riesgo (hereditarios o no) que aumentan las posibilidades de padecerlas, aunque no sean suficientes ni necesarios para sufrirlas.

Dentro del abanico de enfermedades del sistema nervioso, las enfermedades neurodegenerativas son las más prevalentes en la actualidad, ya que están muy relacionadas con el envejecimiento generalizado de la población, cada vez más numerosa y con mayor esperanza de vida. Cuando en entradas anteriores hablamos de la enfermedad de Alzheimer y la esclerosis múltiple vimos que todas suelen evolucionar de modo progresivo, además de afectar no solo a quien las padece sino a su entorno más cercano [1]. Por ello, la  Organización Mundial de la Salud ha advertido de que se han convertido en un problema de salud mundial con graves consecuencias, tanto humanas como sociales y económicas, que es necesario atender con urgencia. 

Las enfermedades neurodegenerativas son procesos crónicos que se caracterizan por la muerte progresiva de neuronas en diferentes regiones del sistema nervioso, lo que provoca un deterioro funcional de las partes afectadas, sean motoras, sensoriales o cognitivas. Esta pérdida paulatina de las células nerviosas es la responsable de los signos y síntomas neurológicos y neuropsicológicos  que las caracterizan [3].