Ver en tiempo real lo que les pasa a las neuronas después de un golpe en la cabeza
Las fuerzas que las comprimen son las más perjudiciales
Los daños varían dependiendo de la velocidad a la que se propaga el impacto en el cerebro
Los golpes en la cabeza, además de la inflamación local que causan, pueden pasar factura a largo plazo, especialmente si se producen durante la adolescencia, cuando el cerebro está aún "en construcción". En 2014 un trabajo publicado en "American Journal of Psychiatry" sostenía que una única lesión eleva el riesgo de padecer trastornos mentales como esquizofrenia (65% más) o depresión (59%) hasta quince años despuésdel traumatismo. Además, los golpes fuertes pueden romper la impermeabilidad de la barrera hematoencefálica, una especie de aduana que protege al cerebro de lo que llega a través del sistema circulatorio.
El año pasado, otra investigación del Beth Israel Deaconess Medical Center de Boston, llevada a cabo con ratones, publicada la revista “Nature”proporcionaba la primera evidencia directa que vincula la lesión cerebral traumática con la encefalopatía traumática crónica y la enfermedad de Alzheimer.
Ahora una nueva investigación, esta vez de la Universidad de Brown, ha podido ver en tiempo real lo que ocurre con las neuronas después de experimentar el tipo de fuerzas que intervienen en un golpe en la cabeza. Sus hallazgos, publicados en la revista Scientific Reports, podrían ayudar a los científicos a entender cómo se desarrolla una lesión cerebral traumática a nivel celular.
En el estudio se utilizó un aparato diseñado a la medida que puede comprimir las neuronas en cultivos de células en 3-D, mientras se utiliza un potente microscopio para supervisar continuamente los cambios en la estructura celular.
"Este es el primer estudio que aplica este tipo de fuerzas de comprensión a células cerebrales y sigue su evolución a lo largo del tiempo", explica Christian Franck, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown y autor principal del artículo. "Estamos muy contentos porque por fin podemos obtener información concreta sobre el momento en que las células empiezan a degenerar, cuándo mueren y cómo es ese proceso."
Ventana de seis horas
Entre las principales conclusiones del estudio destaca la observación de que después de un evento de compresión con fuerzas similares a las que ocurren en una lesión cerebral traumática, las neuronas tardan aproximadamente seis horas en desarrollar daños estructuralesirreparables. Eso sugiere que puede haber una ventana para la intervención terapéutica dirigida a minimizar daños mayores asociados a este tipo de traumatismos, apunta Franck.
Gran parte del daño y muerte celular asociado a un golpe en la cabeza no se produce en el momento preciso del impacto. Por el contrario, parece quehay una cascada bioquímica que actúa durante un período de tiempo, y hace que el daño se acumule en las células, lo que, finalmente, las conduce a la muerte. Sin embargo, no se sabe exactamente cuánto tiempo lleva ese proceso, o si se la velocidad de progresión depende de la gravedad del impacto.
Según este trabajo, se necesitan alrededor de seis horas para que las neuronas muestren signos de daño irreparable a partir de la aplicación de una fuerza de comprensión como la que se sabe que ocurre en los golpes en la cabeza. El lapso de tiempo que va desde la aparición del daño a la muerte celular pueden pasar entre seis y doce horas, dependiendo de la magnitud de la fuerza de compresión aplicada.
El estudio también encontró dos tipos diferentes de daños estructurales que ocurren en las células después de estar expuestas a fuerzas de compresión como las que provoca un golpe en la cabeza. Un primer tipo, llamada lesión axonal difusa, que es una manifestación característica de la lesión cerebral traumática. Pero observaron una segunda forma, que también llevó a la muerte celular, y que no ha sido previamente asociada con lesión cerebral traumática. Ese hallazgo sugiere que el alcance del daño en el cerebro después de un golpe podría estar subestimado en algunos casos.
Nuevo enfoque en 3-D
Lo que hizo posible la investigación fue una técnica experimental de laboratorio que Franck ha venido desarrollando en los últimos años. La mayoría de los estudios de laboratorio sobre las lesiones neuronales se realizan utilizando cultivos celulares bidimensionales sobre portaobjetos o placas de Petri. Y para ver lo que ocurre cuando las células están sometidas a la compresión que provoca un impacto en la cabeza, los investigadores las estiran o bien las someten a fuerzas de cizallamiento, que se aplican de forma perpendicular. Pero las técnicas de cultivo en 2-D no pueden evaluar las fuerza de compresión, que son las más importantes en los golpes en la cabeza.
La única manera de hacerlo es en cultivos en 3-D como los ideados por Franck. El dispositivo tiene un pistón hidráulico situado en la parte superior de un microscopio confocal de escaneo láser. El pistón ajusta con precisión la fuerza de compresión a que se somete a las céulas, mientras que el microscopio genera imágenes continuas de las estructuras celulares. Así pudo llevarse a cabo la observación en tiempo de real de lo que les sucede a las neuronas cuando experimentan fuerzas semejantes a las que provoca un golpe en la cabeza.
"Nuestro sistema no tiene la complejidad de un cerebro real, por lo que no estamos diciendo que lo que hemos visto sea exactamente lo que ocurre en las personas que sufren una lesión cerebral traumática", destacan los investigadores. Pero su trabajo es un punto de partida para obtener datos fundamentales sobre cómo las neuronas responden a estas fuerzas e inspirar nuevas investigaciones.
Diferentes daños
Otra ventaja del dispositivo utilizado por Franck es que permite un control preciso de la cantidad total de la compresión y el tiempo que se aplica (o velocidad de deformación), dos factores que influyen en la magnitud de la lesión celular de diferentes maneras. Mientras que la cantidad total de compresión es responsable de la sincronización de la muerte celular, la velocidad de deformación determina cuántas células resultan dañadas y qué tipo de daño sufren.
En la Liga Nacional de Fútbol americano, por ejemplo, los impactos sobre la cabeza de los jugadores son de unos 15 milisegundos, pero no está claro cómo se transmite esa onda de energía a través del cerebro. La velocidad de deformación aplicada al exterior de la cabeza podría ser muy diferente de la que se transmite a través del cerebro, y este estudio sugiere que la manifestación de la lesión podría ser diferente dependiendo de la velocidad de deformación.
Con las velocidades de deformación más altas usadas en el estudio, las neuronas desarrollan una lesión axonal difusa característica de los traumatismos craneoencefálicos. Consiste en que los axones de las neuronas se hinchan y, finalmente, se rompen, formando burbujas o "ampollas" en los puntos de rotura. Pero a velocidades de deformación más lentas, el daño estructural era diferente. En vez de romperse y formar ampollas, los axones y las dendritas se contraen a medida que las células mueren.
Este segundo tipo de daño, descubierto en este estudio, es importante pero puede pasar desapercibido, porque "los patólogos buscan ampollas y otros signos de lesión axonal difusa para evaluar si se ha producido un traumatismo craneoencefálico y evaluar la extensión del daño", explica Franck. Pero lo que este estudio sugiere es que deberían prestar además atención al cambio de morfología detectado en este trabajo, que también precede a la muerte neuronal.
