espectroscopía biomédica

El director alza la batuta y la orquesta no solo produce sonido, sino una partitura compleja: cada nota suena en su momento, con su altura y su volumen. La luz también puede ser una partitura si se controlan su espectro y su tiempo. Antes, esto requería montajes voluminosos que no podían reconfigurarse una vez construidos.

Un corte fino de eucalipto yace bajo el objetivo del microscopio, y la luz blanca, tras atravesar dos filtros polarizadores, convierte la madera en un mosaico de manchas púrpuras, amarillas y azules. Estos colores no son aleatorios: como letras en un mapa, indican hacia dónde apuntan los hilos de celulosa, invisibles al ojo, dentro de las paredes celulares.

Un cartógrafo recibe una hoja con las distancias entre cientos de islas sin nombre. Ninguna isla está etiquetada, pero las distancias se repiten, forman triángulos y cuadriláteros. Con esas repeticiones, el cartógrafo reconstruye el mapa del archipiélago, sin saber cómo se llama cada isla.

En una habitación oscura, un rayo de sol atraviesa un agujero de alfiler en un cartón, y en la pared aparece una imagen invertida de la calle. La cámara estenopeica no necesita lentes: el pequeño orificio selecciona por sí solo los rayos que provienen de cada punto de la escena.

La luz que nace cuando un electrón rápido penetra en un material suele considerarse igual en todas direcciones. Pero en cristales donde las propiedades ópticas dependen de la orientación, no es así. Pasa la mano sobre el terciopelo: en un sentido es suave y brillante, en el otro, oscuro y áspero. Del mismo modo, un cristal reacciona a la luz de manera distinta según cómo esté orientado.

El médico mira la pantalla y ve dos imágenes de la misma zona del cuerpo. Una muestra dónde la sangre es rica en oxígeno; la otra, a qué velocidad corre por los vasos más finos. Antes, estas imágenes las tomaban aparatos distintos y era difícil combinarlas. Ahora, los ingenieros han construido un dispositivo que realiza ambas tomas a la vez.

Una gota de sangre del dedo cae sobre la membrana blanca del cartucho. Veinte minutos después, el teléfono muestra si hay enfermedad de Lyme o no. Nada de tubos de ensayo, ni centrífugas, ni esperar varios días. Normalmente, para este tipo de análisis, primero se centrifuga la sangre para separar la parte líquida, el plasma.

La luz que atraviesa un vaso de agua turbia se debilita: parte de ella se absorbe. Así funcionan muchos instrumentos para analizar líquidos: miden cuánta luz se ha perdido y, con ello, deducen la composición. Pero si el líquido no es homogéneo, como una sopa con tropezones, un solo número no basta: hay que saber dónde se absorbió más.

Una pila de cartas de juego yace inmóvil. Puedes deslizar la carta superior con el dedo y moverla: eso es una intervención brusca. O puedes soplar suavemente para que toda la pila cambie de forma por un instante, sin que las cartas salgan volando. Así, aproximadamente, la luz en este nuevo experimento reorganiza el cristal de seleniuro de estaño (SnSe).

Un médico tarda años en aprender a reconocer enfermedades en imágenes cerebrales. Primero ve perfectamente los signos del envejecimiento, luego domina los tumores, y de repente empieza a confundirse con lo que sabía antes. Muchas redes neuronales se comportan de manera parecida: los conocimientos nuevos borran los antiguos.

Una campanilla escondida en una caja gruesa se puede hacer sonar sin abrir la tapa. Basta con enviar una onda de sonido a través de las paredes, y el badajo vibrará.

La radioterapia es un golpe dirigido contra el tumor, pero cada disparo debe calibrarse al milímetro y a la fracción de segundo. El problema es que los dosímetros existentes son voluminosos, distorsionan el haz o requieren pausas para la lectura.

Una cámara de un solo píxel se asemeja a un pintor que crea una obra a través de una plantilla con múltiples agujeros. Cada toma deja pasar solo una parte del flujo de luz, y luego una computadora reconstruye la imagen completa a partir de este mosaico. Antes, el orden de las máscaras era fijo, como si el pintor usara siempre la misma plantilla sin prestar atención a la escena.

Las imágenes médicas son mapas de densidad tisular. El brillo de cada punto revela qué se encuentra en ese lugar, de forma similar a como la fotometría mide la intensidad de la luz. Pero los algoritmos convencionales analizan los puntos uno por uno, lo que provoca que los contornos de los órganos aparezcan dentados.

Los tomógrafos no toman fotografías instantáneas. Recogen multitud de «sombras» —proyecciones del interior desde distintos ángulos o con diferentes señales— y a partir de ellas reconstruyen matemáticamente una imagen tridimensional.

Cada aniquilación de un positrón se asemeja al nacimiento de una pareja de bailarines, unidos por un hilo invisible de polarización. Dos rayos gamma se separan, pero sus estados permanecen entrelazados: medir uno determina instantáneamente al otro, como si la pareja sintiera cada movimiento sin importar la distancia.

Un fotógrafo retrata a un corredor con una exposición larga y obtiene una silueta borrosa. Algo parecido le ocurre a un resonador magnético convencional cuando 've' órganos en movimiento: el corazón se contrae, los pulmones respiran y la imagen se desenfoca. Para evitarlo, se pide al paciente que se quede quieto y contenga la respiración.

Cuando se necesita ver el cerebro por dentro, normalmente se coloca a la persona en un tubo estrecho de resonancia magnética o se irradia con rayos X. Ambos métodos son caros, voluminosos y no siempre están disponibles.

Una gota de sangre extraída de una vena se expone a tres haces de luz, y cada uno saca a la luz sus propias pistas. El haz infrarrojo hace vibrar las moléculas; por esa vibración se sabe cuántos azúcares y grasas hay en la muestra.

Un pulso láser corto golpea la molécula de yodo y sus átomos comienzan a vibrar como una bola atada a un muelle. Los científicos siguen estas vibraciones con un segundo pulso de banda ancha que registra el espectro en diferentes instantes.

La llama de una vela tiembla con la corriente de aire, pero no se apaga: la lengüeta solo cambia de forma por un instante y vuelve. Más o menos así se comportan los skyrmiones ópticos — diminutos vórtices en el campo del haz, que recuerdan a remolinos de agua. Hasta hace poco, solo se obtenían en luz láser ideal y uniforme.

Un rayo láser atraviesa la célula, y esta responde al contacto, como una cuerda tensa que se pulsa con el dedo. Por la frecuencia de ese "tañido" se puede saber si el material es rígido o blando. Así funciona la microscopía de Brillouin, llamada así por el físico francés Léon Brillouin.

El dedo es un sensor vivo: bajo la piel, las arterias laten al ritmo del corazón. Los tensiómetros comunes comprimen el brazo y dan un solo número, pero este anillo, con ocho electrodos, hace pasar una corriente débil y, según cómo atraviesa los tejidos, construye una imagen del flujo sanguíneo.

Dentro de cada célula hay diminutas centrales energéticas: las mitocondrias. Queman nutrientes y almacenan energía. En este proceso intervienen dos moléculas auxiliares: NADH y FAD. Antes se detectaban por su débil fluorescencia, pero era tenue y las señales de distintas moléculas se mezclaban. El nuevo microscopio funciona de otra manera.

El baterista calla, pero por las pausas se puede saber dónde no golpeó. Así también los físicos construyeron la imagen, captando no la luz, sino los momentos de oscuridad absoluta. La imagen surgió del silencio. En el experimento, iluminaron el objeto con una lámpara común. Descartaron sin piedad todos los destellos donde los fotones rebotaban en el objeto.

Dentro de cada célula hay una red de finos tubos: los microtúbulos. Funcionan a la vez como andamios y como rieles: mantienen la forma de la célula y transportan cargas. Estos tubos están formados por la proteína tubulina y, de forma natural, brillan débilmente bajo la luz ultravioleta.

Los átomos en un haz viajan a diferentes velocidades, como corredores en un estadio. Un pulso láser ordinario empuja solo a aquellos que corren a una misma velocidad, pero el nuevo actúa como un entrenador que da órdenes a todo el grupo a la vez. Este enfoque involucra a más átomos en la medición.

El patólogo tiñe una sección de tejido con hematoxilina y eosina: las células se tiñen de azul y rosa, y bajo el microscopio se ve su forma y disposición. Pero qué genes están activos en cada célula no se puede leer en esa imagen. Para eso se necesita un estudio aparte y costoso que muestra la actividad de miles de genes a la vez, pero se hace raramente.

Un lunar en la piel se parece a un mosaico de piezas de colores. Cada pieza es una pequeña región de la imagen donde el color y la textura apenas cambian. Estas piezas se llaman superpíxeles. Si las conectamos con líneas, obtenemos una red parecida a un mapa de metro: las estaciones son las piezas y las líneas son las conexiones entre ellas. El peso de cada línea indica cuán fuertemente relacionadas están dos piezas.

Un microscopio óptico común se topa con un límite: no distingue dos puntos si están a menos de 200 nanómetros, aproximadamente el grosor de una burbuja de jabón dividido por cien. Para ver más allá, los científicos hacían que las moléculas de la muestra parpadearan o se desvanecieran, pero esos trucos son lentos y dañan las células vivas.

La luz infrarroja no es visible al ojo, pero está en todas partes: desde el mando del televisor hasta el calor del cuerpo humano. Para capturarla se necesitan materiales especiales. Los detectores comunes son voluminosos, rígidos y no se ajustan bien a la longitud de onda deseada.

Un punto cuántico es como una lámpara individual que se enciende y se apaga a la orden de un láser, emitiendo exactamente un fotón a la vez. Pero esta luz tiene una peculiaridad: los fotones no se llevan bien entre sí, vuelan independientes, como gotas al azar de un grifo.

Una proteína en una célula es como un muelle bien enrollado. Su forma determina lo que hace, pero ver esa forma en una molécula individual sin perturbarla era casi imposible. El nuevo microscopio actúa de otra manera: envía un breve pulso láser que calienta ligeramente la molécula.

En el tratamiento del cáncer de próstata, los médicos suelen ver no un solo tumor, sino múltiples focos en los huesos y los ganglios linfáticos. Cada foco puede responder a la terapia de manera distinta: uno se reduce, otro permanece estable, un tercero crece. Antes se evaluaba la enfermedad en su conjunto, como si se juzgara el clima por la temperatura media del año.

En el hospital, la sangre del dedo suele ir al laboratorio y el resultado llega al día siguiente. El nuevo método promete reducir este proceso a unos minutos. En lugar de captar la luz reflejada por la muestra, lee el voltaje eléctrico que se genera en la interfaz entre dos medios, como un leve cosquilleo al tocar una pila con los dedos húmedos. Esta señal resultó ser sorprendentemente estable y precisa.

Un escáner de resonancia magnética es como una cámara que toma fotografías del interior del cuerpo, pero muy lentamente. El paciente debe permanecer inmóvil durante varios minutos, mientras el corazón sigue latiendo. Si la persona se mueve o el ritmo se altera, la imagen se ve borrosa. Los médicos tienen que repetir el escaneo, perdiendo tiempo y paciencia.

Los fotones entrelazados son como dos mensajeros que marchan al unísono: sus estados cuánticos, en particular la polarización, están sincronizados de tal manera que medir uno determina instantáneamente el estado del otro, incluso a distancia. En un material, esta sincronía se rompe.

Para no perder de vista a un futbolista veloz, un dron no necesita una baliza brillante: basta con reconocer su silueta. De igual manera, ahora una red neuronal sigue a los microbios: el algoritmo analiza una imagen normal del microscopio y encuentra al instante una bacteria en una gota de agua.

Un dedo se ilumina con un rayo láser y parte de la luz regresa después de haber viajado por el interior. Así funciona la espectroscopía Raman: las moléculas del hueso y de la piel alteran de manera distinta el color del rayo reflejado, dejando en él su huella química.

Golpea un diapasón y sonará una nota pura. Pero si el diapasón tiembla y hay gente alborotando cerca, el sonido ya no será perfecto. Lo mismo ocurre con las moléculas: cada una absorbe luz de un color determinado, pero debido a su propia vibración y a los empujones de sus vecinas, ese color se difumina un poco.