tomografía por emisión de positrones

La luz que incide sobre la materia normalmente se dispersa o la calienta. Pero si los fotones son muy numerosos y muy energéticos, dos cuantos de luz pueden colisionar y desaparecer, y en su lugar aparecen dos partículas: un electrón y su antipartícula, el positrón. Este proceso, predicho ya en 1934, no se había podido reproducir en el laboratorio con fotones reales.

El haz de un microscopio electrónico normalmente viaja en el vacío, como un mensajero por una autopista vacía. Cualquier molécula de aire es para él un bache que lo hace saltar y perder la dirección. Por eso antes, para examinar una muestra, había que congelarla, secarla o recubrirla de metal, y aun así solo se podía observar en vacío.

Un superconductor es un material que conduce la corriente sin pérdidas, como el agua que fluye por una tubería perfectamente lisa. En los superconductores de cobre, las diminutas adiciones de oxígeno funcionan como un control de volumen: un poco más, y el material comienza a superconducir; un poco menos, y deja de hacerlo.

Cuando un rayo láser incide en un gas, arranca electrones de los átomos y los acelera hasta casi la velocidad de la luz. Estos electrones, al atravesar el plasma, emiten rayos X, como una estela luminosa dejada por una partícula veloz.

Una imagen obtenida con una dosis baja de rayos X se parece a mirar a través de un vidrio empañado: los contornos están, pero los detalles se ahogan en una neblina turbia. Los médicos necesitan este tipo de imágenes durante la radioterapia para apuntar el haz con precisión al tumor y no dañar los tejidos sanos.

Fotografiar un exoplaneta alrededor de otra estrella es como intentar ver una luciérnaga frente a un reflector. La atmósfera terrestre no deja de agitarse, y en el telescopio eso se ve como manchas danzantes: los speckles.

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.

Aislar la señal de un par de agujeros negros supermasivos es como distinguir los pasos de un bailarín en el estruendo de un huracán. En algún lugar del cosmos, estos monstruos giran en un lento tango gravitacional, deformando el propio espacio-tiempo.

El radiólogo escruta las manchas grises y blancas en la pantalla: decenas de cortes del cuerpo donde hay que encontrar cada punto sospechoso. La segmentación manual de un solo paciente lleva media hora, y en una clínica grande hay cientos de pacientes.

En una gota de sangre flotan millones de moléculas de albúmina, la principal proteína transportadora. Su nivel disminuye en enfermedades de riñón e hígado, por lo que los médicos necesitan un método rápido y preciso para medirla. Los ingenieros han propuesto un detector del tamaño de una mota de polvo: un transistor de grafeno que funciona directamente en el líquido.

El corazón a veces pierde el ritmo, como una orquesta en la que los violines de pronto empiezan a tocar cada uno por su cuenta. En estos casos, los cardiólogos buscan las zonas "desafinadas" leyendo las señales eléctricas del corazón y las cauterizan de forma puntual con una sonda fina: el catéter.

Después de que Paul Dirac predijera teóricamente la antimateria, los físicos buscan las más mínimas diferencias entre partículas y sus antipartículas.

Un aparato de rayos X con rejillas no toma una, sino tres imágenes a la vez: una radiografía normal, un mapa de las curvaturas invisibles del haz y una imagen de las microestructuras que dispersan la luz. Juntas permiten detectar, por ejemplo, enfisema o fibrosis pulmonar. Pero hay un inconveniente: para separar esas tres capas se necesita un truco matemático.

Un batido de frutas se prueba con dos pajitas diferentes. Una deja pasar solo los trozos grandes, la otra solo el líquido. Por separado, las sensaciones engañan, pero juntas dan la clave: aquí parece plátano, y aquí, fresa.

Cuando la materia se calienta a millones de grados, se convierte en plasma: una mezcla de electrones libres e iones, similar a una sopa hirviendo de partículas cargadas. No se puede mirar dentro de esa «sopa» con un termómetro común, pero se puede iluminar con rayos X.

Dos fotones salen de un mismo punto en el pecho del paciente. Son gemelos: si alteras uno, al instante sabes algo del otro. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico. En una exploración PET, estos pares nacen dentro del cuerpo cuando la sustancia radiactiva inyectada se encuentra con los electrones de los tejidos. El grado de entrelazamiento no es constante.

Cuando un haz de iones de carbono entra en el cuerpo, no libera su energía de inmediato, sino al final de su recorrido, como un corredor que se esfuerza al máximo en la recta final. Los médicos necesitan conocer el punto exacto de esa meta para no dañar tejidos sanos. Pero, ¿cómo mirar dentro del cuerpo sin hacer una incisión?

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.

Buscar un punto de luz individual en una muestra oscura es como intentar encontrar una aguja en un pajar: el haz del microscopio avanza línea por línea, gastando tiempo y luz en vano. Los físicos sustituyeron este lento recorrido por patrones de luz aleatorios.

La rapidez del cálculo abre el camino a la clínica: el médico podrá obtener no solo una imagen anatómica, sino también un mapa de la actividad química de los tejidos mientras el paciente aún está en la camilla. Y así, ver no solo el tumor, sino también su "carácter": cuán agresivo es el entorno que lo rodea.

El isótopo radiactivo terbio-149 funciona como una pequeña bomba autoguiada: se adhiere a las células cancerosas y explota con partículas alfa que destruyen el tumor desde adentro, casi sin dañar los tejidos sanos. Pero esta bomba tiene una particularidad: también emite positrones, y esa luz puede capturarse con una cámara especial.

Caminar no es solo una forma de ir del punto A al punto B. Cada paso, cada balanceo de brazos, cada inclinación del torso es como una firma que el cuerpo deja en el espacio. Antes, los médicos notaban que la enfermedad cambiaba la marcha, pero lo consideraban solo un síntoma de un problema concreto: si cojeas, te duele la pierna.

La cámara que busca tumores funciona como una cámara fotográfica muy sensible: capta el débil resplandor de una sustancia que se acumula en las células enfermas. En los aparatos convencionales, la luz nace en un cristal, una pieza sólida parecida al vidrio. Pero el cristal no siempre transmite con exactitud dónde se produjo el destello, y la imagen sale ligeramente borrosa.

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.

La PET/TAC es como un mapa del terreno donde las células cancerosas brillan como puntos luminosos. Pero, ¿y si el mapa está vacío y la enfermedad sigue escondida en algún lugar?

El haz de iones de carbono golpea con precisión el tumor, como un cirujano que solo ve hasta la piel. Dentro del cuerpo, el haz se detiene, y dónde exactamente era antes un misterio. Ahora, al mismo haz se le añade helio: atraviesa el cuerpo por completo, como una radiografía, y por su rastro se ve a dónde llegó el carbono.

Un escáner PET convencional se parece a una cámara con un objetivo estrecho: para capturar a una persona entera hay que moverla de un lado a otro y tomar muchas imágenes. El nuevo tomógrafo IMAS es una cámara gran angular que abarca de una vez 71 centímetros del cuerpo.

El microscopio de efecto túnel explora una molécula con una aguja finísima y dibuja su relieve. Pero la imagen es plana, mientras que la molécula es tridimensional. ¿Cómo adivinar la postura de una persona a partir de su sombra en la pared?

Un rayo cae sobre un hormiguero. Algunas hormigas mueren al instante, otras quedan aturdidas y, al cabo de unos días, las supervivientes empiezan a reconstruir los túneles.

Una gota de grasa dentro de una célula viva se parece a un flotador en aguas turbulentas. No se mueve en línea recta, sino a tirones: a veces se detiene, a veces acelera. Antes, estos movimientos solo se podían ver en un plano, como si miraras el flotador desde arriba sin saber a qué profundidad está.

En la epilepsia, el médico ajusta la dosis del fármaco casi a ciegas. Si es demasiado baja, las convulsiones continúan; si es demasiado alta, aparecen efectos secundarios. Normalmente, la sangre del paciente se envía al laboratorio y el resultado llega en uno o dos días. Ahora, el mismo análisis se puede hacer en un diminuto chip de silicio.

Un trozo de cerámica del tamaño de una uña se comprime en un tornillo de banco y cambia su estructura interna como arcilla bajo los dedos. En el interior del material se alinean hileras ordenadas de diminutas regiones que antes estaban giradas al azar. Tras ese «masaje», el cristal empieza a dejar pasar la luz casi como el vidrio y, además, se electriza con fuerza si se dobla o se presiona.

La quimioterapia convencional afecta a todo el organismo, como un bombardeo de alfombra: sufren tanto las células cancerosas como las sanas. Los científicos buscan un arma más precisa: moléculas que brillan cuando se insertan en el ADN de una célula cancerosa, delatando así su ubicación.

Un corte grueso de tejido bajo el microscopio se parece a un vidrio empañado: la luz se dispersa y los detalles se pierden. Normalmente, para ver las células, se tiñen o se cortan en láminas muy finas. Pero hay una forma más sencilla: hacer transparente el propio corte, como si se limpiara el vidrio.

En el núcleo de un átomo de oro se esconde el futuro medicamento contra el cáncer. Si se golpea un blanco de oro con un rayo gamma de unos 30 megaelectronvoltios, uno de los núcleos pierde un protón y un neutrón y se convierte en un isótopo raro de platino: el platino-195m.

Los marcadores radiactivos son como un mensajero con una baliza: lo introduces en el cuerpo y él ilumina el órgano deseado en la imagen. Pero ese mensajero tiene reglas estrictas: no se puede enviar con frecuencia, se 'cansa' rápido y cuesta caro. Los médicos llevan tiempo soñando con una forma de ver el órgano sin radiación.

En un campo enorme de luciérnagas que destellan de a una y no en enjambre, busca el nuevo sistema automático. Pasa el láser por la muestra como si fuera una linterna y en cada punto anota el color y el brillo del resplandor.

Un bombero con una cámara térmica ve el foco del incendio a través del humo. Pero, ¿cómo ver una fuente de radiación que no huele, no brilla y no calienta? Las cámaras gamma resuelven este problema: captan los rayos gamma emitidos por sustancias radiactivas y superponen su "huella" sobre una fotografía normal.