La ciencia del cerebro (entrevista a R.Douglas Fields)

R.Douglas Fields es uno de los científicos más importantes de nuestro tiempo. Desde el National Institute of Health de Estados Unidos está realizando investigaciones que muy probablemente sentarán las bases de una nueva forma de interpretar y comprender el funcionamiento de nuestro cerebro y el de nuestra mente. Su enfoque es fundamentalmente neurocientífico, desde los mismos principios de su trabajo, a finales de los años 70 del pasado siglo. Comenzó con animales marítimos, en particular con la Quimera, un pez filogenéticamente ancestral, en el que estudió el sentido “eléctrico”. Este sentido, que poseen especies tales como el tiburón o la raya, permite al organismo detectar pequeños cambios eléctricos en su entorno, sirviendo para la supervivencia del modo más obvio: detectar presas incluso debajo de la arena.

Capturar en el océano y mantener después en un acuario una quimera no es tarea fácil. Fields lo hizo. En un habitáculo en el centro de un acuario observó el comportamiento de la quimera y diseño un experimento impecable para demostrar fehacientemente su sentido eléctrico (para más detalles leer el artículo del autor en Investigación y Ciencia de Octubre de 2007 sobre electrosensibilidad en Tiburones).

Desde que entró a trabajar en el NIH estuvo interesado en las células gliales del cerebro. Habitualmente consideradas células de soporte físico y trófico de las neuronas-verdaderas protagonistas, de acuerdo con la Teoría Neuronal de Cajal, de la generación y transmisión de información en nuestro cerebro- parece que cumplen funciones mucho más sofisticadas y relevantes, incluida la propia transmisión de información. Esto nos sitúa ante un cambio de paradigma en neurociencia. Fields es pionero en el mismo.

Pese a trabajar en el NIH nunca ha perdido el interés en la biología marina. Y eso le permite enfocar con mayor profundidad de campo las cuestiones neurológicas. Puede estudiar sistemas nerviosos de especies filogenéticamente no muy lejanas a nosotros –como la ballena- o de otras que sí lo son –los tiburones. Este estudio comparativo y de campo, que realiza fundamentalmente en período estival, contribuye a que no le pierda el pulso ni al laboratorio ni a la naturaleza salvaje.

Un estudio reciente y comparativo lo tenemos en su descubrimiento –junto a otros científicos- del nervio craneal número “cero” (eligieron ese número porque todos los demás estaban cogidos), asociado al órgano vomeronasal, que a su vez está asociado a la detección de feromonas. En nuestra especie es muy fino, apenas detectable, de ahí que hasta la fecha no se hubiera reparado en él, pero Fields se lanzó al océano y lo estudió en un mamífero muy muy grande -¿adivinan?- la ballena.

Es autor y coautor de numerosos artículos científicos, muchos de ellos en Scientific American y Science, y algunos publicados en castellano. Asimismo es fundador y editor de la revista
Neuron Glia Biology.

Sin más preámbulos, les dejo con él (en castellano más abajo).

1)-How did you come to be a member of the National Institute Of Health?

After receiving my Ph.D. degree at the University of California, San Diego, I did postdoctoral research at Stanford University, Yale University, and then at the NIH. In my postdoctoral research at the NIH I learned how to grown neurons and glia in cell culture. I became involved in what was then new advanced imaging methods that allow scientists to see cellular structure in fine detail and more importantly, to see fluxes of calcium ions in living cells. In essence, this live-cell imaging allowed us to replace electrodes with beams of light to monitor electrical activity in neurons and the biochemical responses in living cells. I started my own lab at NIH using these new methods in combination with genetic methods to understand how patterns of neural impulses can change the structure of neurons and synapses, which ultimately requires changes in genes dictated by the firing pattern of neurons.

2)-What are the subjects in science that you are most interested in? Your long term projecs?

My long-term interest is in understanding how the brain develops and modifies its structure and function through experience. The brain is far too complex for all its connections to be specified by genetic instruction alone. The brain develops in part by interacting with the environment. How experience in the postnatal period and functional activity in the nervous system in late stages of fetal development wire up the connections inside the brain is my central interest, and I want to understand this at a molecular and cellular level. The brain uses many of the same mechanisms in learning and memory that build the brain in the first place during development. Also these developmental processes are re-awakened in repairing brain connections after disease or damage, so this focus of research leads to may interesting areas. Ultimately, this activity-dependent plasticity of the brain is what makes nervous system development unique from development of other organs, and activity-dependent nervous system development is what gives every individual on earth a unique mind.

3)-What is the most intriging/interesting enigma in Nature, from your point of view?

Every small mystery of Nature that a scientist (or person) uncovers always increases one's sense of awe. The complexity, supreme organization, precise regulation, plasticity/resiliency, and beauty of biology are astonishing. That astonishment never diminishes as the new secrets unfold; rather the discoveries always increase the sense of awe without end. From the wonder of seeing family resemblance conveyed through generations, to the intricate discoveries that all of this is coded in DNA and executed like a software program in a computer, but a computer that transcends molecules, cells, and organisms, to entire ecosystems to operate in healthy balance, leaves one with a deep sense of intrigue and fascination.

4)-Do you believe that faith and science can reach a common understanding and reconciliation?

Many scientists are also religious, and many are not. Faith and science do not need to reach a common understanding or reconciliation, because they are two different facets of human nature. Science and Faith intersect and share many of the same human qualities and needs, as in the sense of wonder and awe in the face of Nature that I mentioned above. However, science is rational, and rational logic is universal and the predictions can be validated by experiment.

5)-Since long time ago, the glia has been considered nothing but support for neurons. However, your research shows that the glia could take a role in the generation and transmission of information. Do you believe that this could change the paradigm of neuroscience?

New appreciation of the importance of glia in the brain is revolutionizing neuroscience. For the last hundred years, all of nervous system function has been based on the "Neuron Doctrine"—i.e., that brain function can be explained entirtely by electricity flowing through neurons. There is nothing wrong with the neuron doctrine, except that it leaves out half of the brain. Now we are beginning to understand what the other half of the brain does, and this is breaking new ground in understanding how our brain operates, develops, becomes impaired in disease, learns and remembers, and heals after injury.

6)-In the nature / nurture controversy, what evidences are relevant from the latests brain research?. what side of the controversy would support?

There is no controversy. Nature and nurture are mutual partners in developing our mind. Many examples from cloning the human genome show that psychiatric conditions such as depression, schizophrenia, and others, stem from mutations in certain genes, but the activity of genes is regulated by environmental experience. In some environments, the gene defects are overcome by beneficial actions on other genes, but other environments exposing the genetic weakness can lead to disease.

7)-Nothing in biology makes sense if not seen on the light of evolution, Dobzhansky said. Could you give brief examples of this assert for mind and brain facts?

The current article "Brain Cells into Thin Air" on the Sci. Am. Web site, is an example. The purpose of the brain is to interact with the environment, and the environment molds the brain according to the conditions experienced through childhood and adolescence. This gives humans a selective advantage to survive and reproduce in the environment they are born into, not the environment of their cave-man ancestors. This is the reason for man's success on the planet.
The brain and body are remarkably adapted through evolution to a wide range of conditions, but conditions that the body and brain did not experience through evolution present new risks. Dyslexia was not a disorder until a couple hundred years ago, because very few people could read. Now dyslexia is a "disorder", but it is fundamentally a different variation of brain function that would have gone unseen previously and may, in fact, have other advantages in different environments. With regard to the article I mentioned on brain damage in mountaineers, this is an example of brain injury resulting from conditions not experienced through evolution.
Until the last generation, no one would have gone from sea level to 14,000 foot elevation in a few hours, but now with rapid transportation, this occurs, and the brain can be damaged. The brain can adapt to hypoxia at high altitude if given time comparable to the time it would have taken to get there on foot. In terms of evolution, Sherpa's who live at high altitudes are highly resistant to brain damage at altitude, simply because any of their ancestors who were not resistant failed to reproduce.

8)- At last: you discovered the nerve of sexuality in the whale, isn´t true?

Yes, my PhD degree is in Biological Oceanography, and I maintain a strong interest in marine biology. My research in marine biology is principally on electroreception in sharks, rays, and chimaeras, which I still pursue during the summer at Woods Hole Marine Biological Lab in Massachusetts. Together with Leo Demski and Theodore Bullock, I did early research on the terminal nerve (nerve zero) of sharks, rays and whales. This cranial nerve is believed to be involved in reproductive behavior mediated by pheromones.

En Castellano:


1-¿Cómo llegó a ser miembro del National Institute of Health?.

Después de recibir mi doctorado en la universidad de California, San Diego, hice investigaciones postdoctorales en la universidad de Stanford, en la universidad de Yale y después en el NIH. En mi investigación en el NIH aprendí como hacer crecer las neuronas y las células gliales en cultivos. Acabé involucrado en los por entonces métodos avanzados para lo obtención de imágenes que permitían ver a los científicos la estructura celular en detalle fino y, lo que es más importante, los flujos de iones de calcio en células vivas. En esencia, esta técnica de imágenes de células vivas nos permitió reemplazar electrodos con rayos de luz para monitorizar la actividad eléctrica en la neuronas y las respuestas bioquímicas en las células vivas. Implanté mi propio laboratorio en NIH usando estos nuevos métodos en combinación con métodos genéticos para comprender como los patrones de impulsos neuronales pueden cambiar la estructura de las neuronas y sus sinapsis, que en último término requieren cambios en los genes dictados por el patrón de disparos de las neuronas.


2-¿Cuáles son los asuntos que más le interesan en ciencia?, ¿y sus proyectos a largo plazo?

Mi interés a largo plazo radica en comprender como el cerebro se desarrolla y modifica su estructura a través del la experiencia. El cerebro es demasiado complejo como para que todas sus conexiones estén especificadas solamente por las instrucciones genéticas. El cerebro se desarrolla en parte interactuando con el entorno. Cómo la experiencia en el periodo postnatal y la actividad funcional en el sistema nervioso en las últimas etapas del desarrollo fetal cablea las conexiones del cerebro es mi principal interés, y quiero entenderlo a nivel molecular y celular. El cerebro una muchos de los mismos mecanismos en el aprendizaje y la memoria que desarrollan el cerebro al comienzo del desarrollo. También esos procesos de desarrollo son re-despertados cuando se tienen que reparar conexiones después de una enfermedad o daño cerebral, por lo que este enfoque de investigación nos lleva a áreas muy interesantes. En último término, esta plasticidad dependiente de la actividad es lo que hace al desarrollo del sistema nervioso único con respecto al desarrollo del resto de los órganos, y el desarrollo del sistema nervioso dependiente de la actividad es lo que da a cada individuo del mundo una mente única.

3)-¿Cual es el más intrigante/interesante enigma en la naturaleza, desde su punto de vista?.

Todo pequeño misterio de la naturaleza que un científico (o persona) descubre incrementa siempre el sentido propio de admiración por las cosas. La complejidad, suprema organización, precisa regulación, plasticidad/rigidez, y belleza de la biología es sorprendente. Esta sorpresa nunca disminuye a medida que nuevos secretos son descubiertos; en vez de eso, los descubrimientos siempre incrementan sin fin la admiración. Desde la sorpresa de ver parecidos familiares a través de generaciones, a los intrincados descubrimientos de que todo ello está codificado en el ADN y ejecutado como un programa de ordenador -pero un ordenador que transciende moléculas, células y organismos hasta ecosistemas completos y opera bajo un balance saludable-, deja a uno con un profundo sentido de intriga y fascinación.

4)- ¿Cree que fe y ciencia pueden llegar a un común entendimiento y reconciliación?.

Muchos científicos son además religiosos, y muchos no lo son. Fe y ciencia no necesitan llegar a un acuerdo común ni a una reconciliación, porque son dos facetas diferentes de la naturaleza humana. Ciencia y fe confluyen y comparten muchas de las mismas cualidades y necesidades, como es el sentimiento de sorpresa y admiración ante la visión de la Naturaleza que mencioné antes. Sin embargo, la ciencia es racional, y la lógica racional es universal y sus predicciones pueden ser validadas por los experimentos.

5)-Desde hace mucho tiempo la glía ha sido considerada nada más que un soporte para las neuronas. Sin embargo sus investigaciones revelan que la glía podría tener un papel en la generación y la transmisión de la información. ¿Cree que esto podría cambiar el paradigma en la neurociencia?.

Una nueva apreciación de la importancia de las células gliales en el cerebro está revolucionando la neurociencia. Durante los últimos cien años, toda la función del sistema nervioso ha estado basada en la "Doctrina de la Neurona", por ejemplo, que la función del cerebro puede ser explicada enteramente por el flujo de electricidad a través de las neuronas. No hay nada equivocado en la doctrina de las neuronas, excepto que deja fuera a la mitad del cerebro. Ahora estamos empezando a entender que hace esa otra media parte, y esto está abriendo nuevas puertas al entendimiento acerca de como opera el cerebro, cómo se desarrolla, cómo es dañado por la enfermedad y se cura del daño, y cómo aprende y recuerda.

6)-En la polémica entre naturaleza y entorno, ¿qué evidencias aportan las últimas investigaciones del cerebro?. ¿De qué lado se pondría en la controversia?.

No hay tal controversia. Lo innato y lo aprendido son patrones entrelazados en el desarrollo de nuestra mente. Muchos ejemplos obtenidos a través de la clonación del genoma humano muestran que las condiciones psiquiátricas tales como la depresión, la esquizofrenia y otras, parten de mutaciones en ciertos genes, pero la actividad de esos genes está regulada por la experiencia y el entorno. En algunos entornos, los defectos genéticos son ocultados por la acción benéfica de otros genes, pero la exposición a otros entornos de esa debilidad genética puede llevar a la enfermedad.

7)-Nada en biología tiene sentido si no es a la luz de la evolución, decía Dobzhansky. ¿Podría dar breves ejemplos de esto para las cuestiones de la mente y el cerebro?.

El artículo "células del cerebro en aire ligero" del sitio Web de Investigación y Ciencia es un ejemplo. El propósito del cerebro es interactuar con el entorno, y el entorno moldea el cerebro de acuerdo con las condiciones experimentadas durante la niñez y la adolescencia. Esto da a los humanos una ventaja selectiva para sobrevivir y reproducirse en el entorno donde han nacido, no el entorno de sus antecesores de las cavernas. Esta es la razón del éxito del ser humano en el planeta.

El cerebro y el cuerpo están admirablemente adaptados a través de la evolución para un amplio rango de condiciones, pero las condiciones que el cuerpo y el cerebro no experimentaron a través de la evolución plantean nuevos riesgos. La dislexia no fue un desorden hasta hace dos siglos, porque antes muy poca gente podía leer. Ahora en cambio es un desorden, pero es fundamentalmente una variación diferente de la función del cerebro que pudo haber pasado desapercibida en el pasado, y puede, de hecho, tener otras ventajas en entornos diferentes. Con respecto al artículo que he mencionado sobre daños en el cerebro de los montañeros, este es un ejemplo de daño cerebral resultante de condiciones no experimentadas previamente a través de la evolución.

Hasta la última generación, nadie pudo ir desde el nivel del mar hasta 4000 metros de altura en unas pocas horas, pero ahora, con los rápidos medios de transporte, esto ocurre, y el cerebro puede sufrir años. El cerebro puede adaptarse a la falta de oxigeno a gran altitud si se el da un tiempo comparable al que tendría si se hubiera subido a pie. En términos evolutivos, los Sherpa que viven a gran altitud son altamente resistentes al daño cerebral debido a la altura simplemente porque cualquier ancestro que fuera no resistente no se pudo reproducir.

8)- Por ultimo: usted descubrió el “nervio de la sexualidad” en la ballena, ¿no es cierto?

Si, mi postdoctorado es en Oceanografía biológica, y mantengo un fuerte interés en la biología marina. Mis investigaciones sobre el particular han sido principalmente sobre la electrorecepción en tiburones, rayas y quimeras, y aún continúo con ellas durante el verano en el Laboratorio Marino Woods Hole en Massachussets. Junto con Leo Demski y Theodore Bullock hice pronto descubrimientos sobre el nervio Terminal (nervio cero) de tiburones, rayas y ballenas. Este nervio craneal se cree que está involucrado en el comportamiento reproductivo mediado por feromonas.