transporte rítmico cerebral

Un nadador en una piscina llena de pelotas ligeras se impulsa contra ellas y nada más rápido que en agua limpia. Algo así le ocurre al tripanosoma, un parásito unicelular causante de la enfermedad del sueño, cuando llega a la sangre, donde los glóbulos rojos ocupan casi la mitad del volumen.

Una multitud en la entrada de un pasillo estrecho no se comporta igual que en una sala espaciosa: a algunos los aprietan contra las paredes, a otros los empujan hacia adelante. Algo parecido ocurre cuando una partícula alargada se encuentra en un líquido repleto de mancuernas automotrices.

Imagina una gran orquesta sin director. Cada músico escucha a todos los demás y se ajusta al murmullo general. Si cada instrumento amplifica a sus vecinos, el sonido crece hasta el chirrido; si a veces lo atenúa, la orquesta puede quedarse en silencio o desembocar en cacofonía.

En una orquesta que ensaya una sinfonía, cada músico debe tomar su parte a tiempo. Si de pronto el violinista decide que es violonchelo y el flautista toca la parte de la trompeta, la música se convierte en ruido.

Imagínese una casa vieja en la que cada habitación envejece a su manera: en una el papel de las paredes se ha descolorido, en otra crujen las tablas del suelo y en una tercera todo parece recién hecho.

El aula se queda en silencio después de la clase, pero en la cabeza del niño todavía resuena un eco: rostros, objetos, lugares. Ese eco, y no la clase en sí, decide qué quedará en la memoria. Los investigadores lo captaron por primera vez en niños de 6 a 17 años. Los niños memorizaban escenas dentro del escáner: les mostraban una habitación y luego un objeto o un rostro en un lugar determinado.

Cada latido del corazón envía por las arterias cerebrales una onda que no solo empuja la sangre, sino que también hincha el vaso por un instante. La pared arterial, como un tubo de goma bien tensado, transmite ese movimiento al tejido cerebral vecino, y este pulsa de manera apenas perceptible al ritmo del corazón.

El cerebro se parece a una orquesta donde el director es la corteza y el tálamo, el primer violín. El tálamo transmite las señales de los ojos hacia la corteza visual. Pero la corteza también puede enviar órdenes de vuelta, ajustando el tálamo a la tarea actual. Antes esto era una hipótesis, y ahora se ha comprobado en humanos.

Un haz de láser atraviesa una cubeta de vidrio con vapor de cesio. Los átomos del vapor se mueven caóticamente, como una multitud en una estación: cada uno entra en el haz, permanece un instante y vuelve a salir. Su estado interno —algo así como la orientación de un pequeño imán— cambia bajo la acción de la luz. Si todos los átomos fueran idénticos e inmóviles, la señal sería uniforme.

Una persona lanza una moneda para tomar una decisión. Está quieta: la moneda cae cara. Da un par de pasos y vuelve a lanzar. Parecería que caminar no debería influir en la moneda. Pero ¿y si el simple paseo cambia la frecuencia con la que decide repetir el lanzamiento anterior? Esto es exactamente lo que comprobaron los investigadores.

En las prolongaciones largas de la neurona, las dendritas, corretean constantemente pequeños mensajeros. Son moléculas de ARN mensajero que llevan instrucciones para fabricar proteínas. Su viaje comienza en el cuerpo celular y termina en las sinapsis, los contactos con otras neuronas.

Un estadio repleto de espectadores escucha por primera vez la voz del comentarista y, al instante, todo el estadio se pone en movimiento. El mensaje suena una y otra vez. Solo un puñado de personas en las filas cercanas reacciona. Algo similar ocurre con las redes neuronales en los organoides cerebrales, versiones en miniatura del cerebro cultivadas en laboratorio.

El agua dentro de las fibras nerviosas no se mueve como en un vaso: choca constantemente contra las paredes de los axones (las prolongaciones largas de las células nerviosas).

Por la noche, cuando caemos en un sueño profundo sin sueños, comienza una marea en lo profundo del cerebro. Cada latido del corazón y cada respiración envían suaves impulsos a través de las cavidades llenas de líquido (los ventrículos). Durante el día, estos impulsos son tímidos y monótonos: el líquido chapotea de un lado a otro casi en el mismo lugar.

La corriente de iones a través de la membrana se parece a una cola frente a un torniquete. A veces el torniquete está libre: los iones pasan rápidamente. A veces se atasca: el flujo cae. Un campo magnético débil, como se ha descubierto, no empuja a los iones por la espalda, sino que simplemente cambia el número de torniquetes abiertos.

Una nube de átomos enfriada casi hasta el cero absoluto de repente empieza a comportarse como un cerebro. Un átomo excitado dispara una reacción en cadena: los vecinos se "encienden" a continuación y una avalancha de actividad recorre el gas. Los físicos lo llaman facilitación de Rydberg: los átomos se excitan más fácilmente si cerca ya hay uno excitado.

En la teoría cuántica de campos existe un viejo enigma: las divergencias infrarrojas. Normalmente se las percibe como una molesta interferencia técnica que hay que «tapar» cuidadosamente en los cálculos. Pero, ¿y si no es un error, sino una característica?

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta, donde cada músico —un cubit— debe tocar su parte con precisión y a tiempo. Normalmente, los músicos se sientan en lugares fijos y se conectan mediante atriles y cables. Pero, ¿y si se les permitiera moverse libremente por el escenario y el movimiento mismo se convirtiera en parte de la música?

Una neurona envía una señal a su vecina. Esta no responde de inmediato: el impulso viaja por la prolongación a una velocidad finita, como una carta que se retrasa en el camino. Por lo general, ese retraso se considera un estorbo, pero en este nuevo trabajo se convierte en el director de orquesta.

Una partícula cuántica, al recorrer un anillo cerrado, deja dos «registros» diferentes en su camino. El primero es como una huella dactilar en la manija de una puerta: permanece inalterada por más que gires la manija, y solo habla de la forma y el material.

Una sábana bien tensa reposa sobre la mesa durante varios días. En apariencia está inmóvil, pero en las fibras de la tela se conserva la tensión: basta con aflojar un poco un extremo y las arrugas correrán, reordenando todo el patrón. De manera muy similar se comporta una capa de células epiteliales en estado de reposo.

Dos partículas cuánticas están unidas por un hilo invisible: una pierde energía, la otra la gana, pero la reserva total no cambia. Si solo seguimos a la primera, sus oscilaciones no se amortiguan: el ritmo es constante, como el de un púlsar cósmico, aunque desde fuera parezca que crece la entropía, el caos.

Las neuronas se comunican mediante impulsos eléctricos. Durante mucho tiempo su comportamiento se describió como el modelo estándar: tras cada descarga, la célula «olvida» completamente el pasado, como un coche que se detiene instantáneamente al apagar el motor. Pero ¿y si la neurona se parece a un automóvil que sigue rodando por inercia?

Tres gemelos que corren se cambian de ropa constantemente. Algo así hacen los neutrinos, esas partículas casi invisibles que nos atraviesan por billones cada segundo. Nacen en reacciones nucleares, como las del interior del Sol, y existen en tres variedades, o 'sabores'. Pero lo curioso es que, en su camino, un neutrino puede cambiar de sabor, transformarse de electrónico a muónico o a tau.

Un río que no fluye en un cauce abierto, sino dentro de una esponja, y cuya corriente cambia de un lugar a otro, puede compararse con el sistema glinfático del cerebro. Se trata de una red de canales finísimos alrededor de los vasos sanguíneos, por los que el líquido cefalorraquídeo se filtra hacia el interior del tejido y arrastra los desechos acumulados durante el día.

El cerebro constantemente hace malabares con tareas: a veces reacciona a un sonido agudo, a veces resuelve una ecuación, a veces se sumerge en ensoñaciones. Los científicos sospechaban desde hace tiempo que detrás de esto hay cambios entre diferentes "guiones" de trabajo de las redes neuronales, pero era difícil extraerlos del caos de señales eléctricas.

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.

Dentro de cada neurona hay un canal largo y delgado: el axón, por el que la señal viaja desde el cuerpo de la célula hasta otras células. Para que el canal funcione, las mitocondrias, unos orgánulos diminutos que producen energía, circulan constantemente por él. Se mueven en ambas direcciones, como coches en una carretera estrecha.

Una gota de crema cae en una taza de café y, en un minuto, toda la bebida se vuelve beige. Este proceso de mezcla se puede medir: ¿cuánto hay que "remover" una distribución de partículas para convertirla en otra? En matemáticas, este enfoque se llama transporte óptimo, y la medida del esfuerzo, distancia de Wasserstein.

Una neurona que acaba de calmarse se parece a un pianista que retira las manos del teclado. Pero dentro de ella continúa un trabajo silencioso: diminutas bombas expulsan iones de cloro hacia afuera, devolviendo el instrumento a un estado de preparación.

Mantener en la cabeza un número de teléfono mientras lo marcas es memoria de trabajo. En el cerebro, esto lo hace un grupo de células que se envían señales entre sí, como personas que pasan un cubo por una cadena. Pero cada transmisión tiene un costo: se necesitan sustancias mediadoras que se agotan.

Los vasos linfáticos son calles de una sola dirección. Por ellos, el líquido fluye solo hacia adelante gracias a diminutas compuertas en forma de pétalos. Estas válvulas se abren únicamente en un sentido, generando una asimetría, una direccionalidad, sin la cual el flujo se detendría.

Cada inhalación acelera ligeramente el corazón, y cada exhalación lo frena. Este ritmo, visible en el electrocardiograma, se conoce como arritmia respiratoria. Durante mucho tiempo se consideró un simple efecto secundario del sistema nervioso. Pero una nueva investigación muestra que esta coordinación no es casualidad, sino una forma de ahorrar energía.

Normalmente, la corriente fluye igual en ambas direcciones si no hay un imán. El campo magnético o un material magnético rompen esa simetría: los electrones empiezan a preferir una dirección. Pero en un nuevo trabajo, los físicos han encontrado la manera de prescindir de los imanes.

Una pinza láser es un haz de luz que atrapa y mueve objetos diminutos, como bacterias o motas de polvo. Si hay que llevar una partícula del punto A al punto B, se podría tirar de ella directamente. Pero eso gastaría más energía que una ruta ingeniosa con rodeos. Una partícula activa es un objeto microscópico que se impulsa a sí mismo, como un nadador diminuto.

Un puñado de arena sobre la mesa es solo un montón. Pero si agitas las partículas correctamente, el montón empieza a comportarse como una memoria: recuerda qué movimiento sigue a cuál. En el nuevo experimento, movieron las partículas cíclicamente, y tras el entrenamiento reproducían el patrón deseado incluso sin la orden completa.

Forzaron a una nube de átomos de cesio a comportarse como una sola cuerda cuántica. Al iluminarla con un láser y dejar que las partículas interactuaran, los científicos pusieron en marcha oscilaciones autosostenidas: el ritmo surgió sin un director externo. Las ondas de radio actuaron como los trastes en un mástil: se podía cambiar suavemente la frecuencia del sonido.

Los cilios son diminutos pelos en la superficie de las células. Baten como remos y mueven el líquido. En los pulmones, expulsan el polvo y los microbios hacia afuera. Pero su longitud varía: en los humanos miden milésimas de milímetro, mientras que en los ctenóforos alcanzan varios milímetros.

El corazón no se contrae todo a la vez, sino en forma de onda: la señal eléctrica recorre el músculo y, tras ella, como un rizo en el agua, se propaga la contracción. En la arritmia, esa onda se desordena: en algún punto se retrasa, en otro se vuelve un bucle, y la bomba empieza a trabajar a destiempo.

En el cerebro de un ratón hay unos 70 millones de neuronas, y sus conexiones están lejos de repartirse por igual: algunas células apenas tienen un par de decenas de contactos, otras miles. Es como una ciudad con callejones tranquilos y plazas abarrotadas. Pero hasta ahora no estaba claro cómo afecta esa heterogeneidad al funcionamiento del cerebro.