Intentant entendre millor l’escorça cerebral humana

An attempt to gain a better understanding of the cerebral cortex. Currently we are faced with the challenge of optimising on our capacity to interact with the human brain. Non-invasive, experimental techniques are now available which allow us to establish causal relationships between brain activity and specific behaviour. What is more, they enable us to moderate and modify the behaviour of a human subject by stimulating the cerebral cortex. The ease and availability of these techniques make it necessary to develop a conceptual structure and ethical code to guide scientific work in this area.

Dedicat a la memòria de la professora María Dolores Catalá

L’observació ha omplert l’existència humana d’incertesa, i l’ha portada a plantejar-se quins són els principis bàsics subjacents als fenòmens observats. La curiositat pels mecanismes íntims és la força que empeny l’avanç del coneixement i el desenvolupament de la humanitat. Així, l’estudi dels fenòmens elementals de la natura, per exemple el cicle de l’aigua, les estacions, o el comportament animal, precedeixen l’aparició de l’agricultura o la ramaderia. Tanmateix, l’home persegueix el coneixement per la necessitat evolutiva de millorar la seua adaptació al medi. El coneixement adquirit no sols permet canviar el medi sinó que en ell mateix inclou un canvi al cervell humà. Aquesta plasticitat cerebral per la qual el nostre cervell canvia amb cada experiència i cada nova sapiència és propietat intrínseca del sistema nerviós. És en aquest sentit que la recerca del coneixement defineix, ontogenèticament i filogenèticament, la condició humana.

Els propers avenços en neurociència susciten un doble comentari. L’immens desenvolupament tecnològic ha fet possible posar a l’abast de les neurociències un vast armamentarium de poderoses tècniques experimentals. Som capaços d’explorar l’activitat del cervell pensant i de dissecar-ne els mecanismes subjacents fins detalls insospitables fins fa pocs anys. Podem fins i tot, amb experiments neufisiològics ben controlats, començar a preguntar quines són les bases cerebrals de la consciència, la sapiència i la creença religiosa. Tanmateix, d’altra banda, aquesta riquesa i facilitat de tècniques posa a prova la capacitat dels investigadors de trenar resultats i observacions a una estructura racionalista. Sols es troba allò que explícitament es cerca, sols es descobreix allò que es coneix. No és prou ser un bon tècnic experimental, cal generar, potser ara més que mai, donada la facilitat i accessibilitat de poderoses tècniques d’estudi, una estructura conceptual que mene la tasca científica.

Al març de 1863, Pierre Paul Broca postulà la dominància de l’hemisferi esquerre pel llenguatge, i la important diferenciació funcional entre una alteració de l’articulació del llenguatge, «disàrtria» o «afèmia» (a= “absència” i pheme = “veu”) i «amnèsia verbal» o incapacitat o pèrdua de la memòria per a les paraules que avui anomenem «afàsia». Broca basà la seua argumentació en els fenòmens observats al seu malalt Tan. Tan va patir una alteració funcional del llenguatge. Des d’aleshores Tan era incapaç de pronunciar res més que expressions monosíl·labes, «tan, tan, tan…», d’ací el seu nom. Què dugué aquest cirurgià francès a preguntar-se per la localització de la lesió del seu malalt Tan?
Serendípia fou que Tan arribara a la cura de Broca i no d’un altre cirurgià. Però és el coneixement previ de Broca el que va permetre aprofundir en els mecanismes fisiopatològics que ocasionaren la pèrdua de la capacitat del llenguatge de Tan. Broca era antropòleg a més de cirurgià i sens dubte coneixia bé les inquietuds de científics i pensadors que durant segles havien estudiat la possible existència d’una localització cerebral dels processos mentals.

Hipòcrates, 400 anys aC, i Galè, 200 anys aC, consideraven que el cervell participava no sols en la percepció de les sensacions, sinó que a més a més era també la seu de la intel·ligència i que acollia a la tova consistència de la molla de l’encèfal l’empremta de les experiències i la memòria. Als segles XVI i XVI, Renè Descartes localitzà la conducta animal al «cervell» i proposà una comunicació entre el cos i la «ment» extracorpòria i divina mitjançant la glàndula pineal. Tanmateix, en realitat, fins al segle XIX, la localització de les funcions cognitives en el cervell no és sinó teoria. El desig de saber genera la tècnica experimental. Quan es formulen preguntes, s’inventa la manera de poder contestar-les. Així surt l’estudi de les lesions fortuïtes i la seua repercussió conductual. Així és posible l’impacte de Tan i de Broca en la neurociència. Les tècniques citohistològiques aportaren noves perspectives i remarcaren la importància funcional de les connexions cerebrals. Els treballs de Theodore Meynert (1833-1892) permeteren a Carl Wernicke, l’any 1876, predir l’aparició de problemes cognitius en virtut de l’alteració dels eixos de comunicació entre els distints centres cerebrals. No sols es poden perdre facultats cognitives perquè es lesiona el centre cerebral d’aquesta facultat, sinó també per culpa de la lesió de les seues connexions. Però, per què dependre de l’atzar de la lesió cerebral fortuïta per a estudiar la representació de les capacitats cognitives al cervell?

Jean-Marie-P. Flourens elabora el mètode d’ablació experimental en animals. En intervencions quirúrgiques controlades, Flourens va prendre el paper de la serendípia natural i estudià sistemàticament les conseqüències de lesions de distintes parts de l’encèfal sobre el comportament. Per exemple, Flourens determinà el paper del cerebel en la coordinació dels moviments i de l’escorça cerebral en la percepció i la sensació. La necessitat d’optimar les condicions d’innocuïtat i reproductibilitat dels estudis portà Gustav Fritsch i Eduard Hitzig l’any 1870 al desenvolupament de l’estimulació cortical directa en animals. En lloc de lesionar el cervell, Fritsch i Hitzig proposaren aplicar un corrent elèctric a un punt del cervell per activar-lo i estudiar així el paper d’aquesta estructura cerebral en el comportament. Pocs anys després, David Ferrier combinà l’estimulació cortical directa amb l’ablació experimental i així va fer evident la relació causal entre estructura, activació i funció.

Però, com estudiar funcions cognitives superiors humanes mitjançant models animals? El 1950, Wilder G. Penfield, en la seua obra The Cerebral Cortex of Man (L’escorça cerebral de l’ésser humà), descriu l’estimulació cortical directa en humans. Penfield estudià malalts durant intervencions neuroquirúrgiques. Amb el malalt despert, Penfield va aplicar corrents elèctrics a distintes parts del cervell, tal i com havien fet abans Fritsch, Hitzig i Ferrier en animals. En humans, Penfield podia observar el comportament evocat per estimulació, però a més podia preguntar «què nota vostè?». Tanmateix, la tècnica de Penfield continuava essent massa invasiva com per ser aplicable a subjectes sans. Com saber què els resultats de Penfield reflectien l’organització del cervell humà i no les conseqüències de la lesió cerebral o la malaltia que dugué el subjecte a la intervenció neuroquirúrgica?

La recerca de mètodes experimentals reproduïbles no invasius ja va motivar al segle passat Franz J. Gall en el desevolupament de la frenologia. Gall argumentà que les capacitats cognitives estaven localitzades en distintes parts del cervell i que la variabilitat interindividual generava diferències en la morfologia dels cervells de distintes persones. Aquestes diferències en morfologia cerebral, pensava Gall, resultaven en diferents formes del crani, protuberàncies i depressions que es generen quan es conforma, durant el desenvolupament fetal, l’os al cervell. Així doncs, pensava Gall, les irregularitats a la superfície del crani permetien l’estudi individualitzat i incruent de les funcions cognitives i els trets de personalitat.

En les últimes dècades, l’evolució de les tècniques de neuroimatge ha permès explorar diferències en l’estrucutura i la funció del cervell mateix, sense recórrer a les irregularitats del crani. És «la nova frenologia». La tomografia axial computeritzada i sobretot la ressonància nuclear magnètica permeten l’estudi de lesions de subjectes vius i així establir interessants correlacions anatomoclíniques. La tomografia per emissió de positrons, la tomografia per emissió de fotons simples, la ressonància magnètica funcional i la magnetoencefalografia donen informació de l’activació metabòlica i bioelèctrica d’estrucutures corticals i subcorticals cerebrals, durant l’execució de tasques motrius i no motrius, de forma no invasiva i reproduïble. Tanmateix, no són lliures de limitacions, perquè sols mostren la relació temporal de l’activació, associada a un comportament o facultat mental, sense establir necessàriament una relació causal entre l’activació i la conducta observada. Aquestes tècniques ens permeten establir que una certa part del cervell s’activa quan realitzem un acte, pensem un pensament, sentim una sensació. Tanmateix, és possible que aquesta activació cerebral siga un epifenomen o una conseqüència del comportament, no una necessitat prèvia.

Penfield havia demostrat que la variació de la conducta a partir d’una interferència d’una àrea cerebral concreta permet establir una relació de causalitat amb la funció. Així doncs, per què no combinar la neuroimatge amb tècniques d’estimulació cerebral? El 1984 Anthony Barker introduí l’estimulació magnètica transcranial i el 1987, Johm Cadwell i Alvaro Pascual-Leone, desenvoluparen l’estimulació magnètica transcranial repetitiva. Aquestes tecniques de estimulació obriren la porta a la possibilitat de realitzar estudis d’estimulació de l’escorça cerebral d’éssers humans, sense la necessitat d’exposició quirúrgica directa del cervell.

Aquestes tecniques han estat possibles gràcies al desenvolupament d’equips d’estimulació electromagnètica basats en els principis descoberts per Michael Faraday al 1834. El pas d’un pols de corrent per una bobina de cobre genera un camp magnètic variable en el temps. Aquest camp magnètic és capaç d’induir un corrent elèctric secundari al cervell quan la bobina és sostinguda damunt el cap. La focalitat del corrent induït al cervell depèn de la morfologia de la bobina. El desenvolupament de nous materials i formes geomètriques que optimen les característiques del camp permet una focalitat, a l’escorça, superior a 1 cm².

L’estimulació magnetica transcranial permet interferir amb l’activació normal de distintes parts del cervell i així reproduir els resultats obtinguts mijançant l’ablació experimental i l’estimulació cortical directa amb l’obvi avantatge de constituir un mètode no dolorós, incruent, aplicable a subjectes sans de forma repetible, a més de l’absoluta i instantània reversibilitat de l’alteració funcional. Aquesta «inducció de lesions virtuals» permet aportar especificitat i informació causal a les observacions realitzades amb tècniques de neuroimatge.

Durant els ultims dotze anys hem utilitzat l’estimulació magnètica transcranial repetitiva per reproduir de manera incruenta els experiments de Wada, adreçats a l’estudi de la lateralització hemisfèrica i la localització del llenguatge. Hem establert el paper determinant de l’escorça prefrontal a l’aprenentatge processal així com a la regulació dels estats d’ànim. A més, hem utilitzat la inducció de lesions virtuals per evidenciar el fenomen de la plasticitat, la capacitat d’una àrea cerebral «d’aprendre» noves funcions per a promoure la recuperació després d’una lesió cerebral i adquirir noves habilitats. Així, per exemple, hem demostrat que les parts del cervell que ens permeten moure els dits canvien i «s’engrandeixen» quan els subjectes aprenen a tocar el piano. També hem mostrat que subjectes invidents aprenen a llegir Braille utilitzant per processar la informació tàctil les parts de l’escorça occipital que subjectes vidents utilitzen per processar informació visual. És a dir, als cecs, les parts del cervell que ens permeten veure són reorganitzades per a tenir «més cervell» dedicat a obtenir informació del tacte, els sons i les olors. L’estimulació d’àrees cerebrals pot suposar l’alteració, fins i tot la supressió, de la funció, en el cas d’una modulació negativa. Però, teòricament, també seria possible la modulació positiva de la funció, la interacció amb les estructures cerebrals resultant en una millora d’aspectes comportamentals.

Un espanyol, el professor Rodríguez Delgado, va ser qui suggerí la possibilitat de modular l’activitat cerebral per millorar i, eventualment, guiar el comportament. Delgado i els seus col·laboradors elaboraren un model experimental que estudiava la resposta emocional d’animals d’experimentació, interferint amb les estructures implicades en la seua aparició. La introducció d’un elèctrode a l’amígdala d’un brau permetia interferir l’estat emocional de por i originava l’anul·lació de la resposta agressiva de l’animal. Si l’amígdala era estimulada al mig de l’envestida, el brau s’aturava i apareixia un patró de resposta mancat d’agressivitat.

De manera semblant, l’estimulació magnètica transcranial repetitiva permet la modulació del nivell d’excitabilitat neuronal en subjectes humans de forma no invasiva. Aquesta modulació de l’activitat cerebral ha de realitzar-se de manera acurada i controlada per evitar complicacions. Els efectes, però, són detectables més enllà de la durada de l’estimulació transcranial. Aquest fenomen ha obert la possibilitat d’utilitzar aquesta tècnica per modular els canvis plàstics i afavorir-ne els que resulten interessants per al subjecte i inhibir-ne els que podrien resultar en una disfunció. Així, a la seua tesi doctoral amb el professor Álvaro Pascual-Leone, a València, Francisco Tarazona ha demostrat que l’estimulació magnètica transcranial repetitiva de les parts motrius de l’escorça cerebral pot accelerar l’aprenentatge de l’execució d’una seqüència completa de moviment dels dits. A més és utilitzada, amb finalitat terapèutica i considerable èxit, en el tractament d’estats d’hipoactivitat cortical localitzada en malalties neuropsiquiàtriques com ara la depressió i la malaltia de Parkinson.

Avui ens trobem davant el repte d’optimar la capacitat d’intereracció amb el cervell humà. Els experiments que hem realitzat mostren que cada subjecte respon de forma variable a uns determinats paràmetres d’estimulació magnètica. Necessitem aprofundir en els mecanismes que subjauen en aquesta variabilitat de resposta i descobrir com predir i controlar la modulació de l’activitat cerebral en un subjecte concret.

L’observació del comportament humà ens duu a plantejar-nos preguntes sobre el seu fonament. Aquestes preguntes generen mètodes per poder definir les contestacions i formular, al temps, noves preguntes. Actualment tenim eines per establir una relació causal entre l’activitat en certes parts del cervell i un comportament concret. Tenim, a més, la capacitat de modular i modificar així el comportament i la conducta d’un subjecte. La facilitat i accessibilitat d’aquestes poderoses tècniques fa necessari el desenvolupament d’una estructura conceptual i un patró ètic que mene la tasca científica. Potser per aquesta doble conseqüència, s’acusa el sentiment d’admiració vers aquells investigadors que, amb lucidesa pionera, prediren avenços, generaren teories, i van emetre hipòtesis que les dades científiques actuals no fan sinó confirmar. El cas del nostre més il·lustre neurocientífic, en Santiago Ramón i Cajal, mostra la confluència d’aspectes que és necessari adquirir: la constància i la infatigabilitat (més correctament, la resistència a la fatiga), el rigor científic i la minuciositat en les observacions, la curiositat rabiosa, la universalitat de l’esperit i la humilitat de l’estudiós que consulta i pregunta, la dedicació i la determinació al treball i el desig irrevocable de millorar la tècnica experimental i incorporar noves eines. Tots aquests aspectes són requisits essencials per al bon investigador: aprendre a formular preguntes contestables, aprendre tècniques per contestar les preguntes pròpies i les d’altres, formular les pròpies preguntes i emmarcar les contestacions en l’herència dels coneixements rebuts, enfilant teories que permeten formular noves preguntes. María Dolores Catalá nos sols va aconseguir reunir tots aquests requisits, sinó que, a més a més, va dedicar la vida a ensenyar a molts com assolir aquests ideals.

José María Tormos i Álvaro Pascual-Leone. Institut de Bioenginyeria, Universitat Miguel Hernández, Alacant i Laboratori d’Estimulació Magnética Transcranial, Departament de Neurologia, Beth Israel Deaconess Medical Center, Universitat de Harvard, Boston (Estats Units).
© Mètode 23, Tardor 1999.

A) Il·lustració esquemàtica d’una bobina d’estimulació magnètica transcranial sostinguda damunt del crani (esquerra) i part de l’escorça cerebral que es veuria afectada per l’estimulació.

B) Imatges de tomografia per emissió de fotons mostrant l’activitat (augment del flux sanguini) en l’escorça cerebral abants i després de l’estimulació magnètica. El color més intens representa les parts més actives.

 «La recerca del coneixement defineix, ontogenèticament i filogenèticament la condició humana»

 «Actualment tenim eines per establir una relació causal entre l’activitat en certes parts del cervell i un comportament concret. Tenim, a més, la capacitat de modular i modificar així el comportament i la conducta d’un subjecte»