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La máquina que puede leer tu mente

Tecnología científica

En el Centro de Investigación de Resonancia Magnética de Columbia, los científicos están desvelando la base neuronal de los pensamientos, recuerdos y emociones humanos.

Por Bill Retherford '14JRN |Otoño 2019

Una imagen de resonancia magnética de 3 teslas del cerebro resalta la sangre en el sistema vascular. Foto de Dania Elder

Clasifique su panteón personal de científicos famosos (Copérnico, Curie, Faraday, Fermi, Pauling, Pasteur) e Isidor Isaac Rabi '27GSAS', 68HON probablemente no estaría en el nivel superior. Sin embargo, es ampliamente reconocido en el edificio de física y astronomía de Columbia en el campus de Morningside Heights. Allí, en la habitación 809 de Pupin Hall, su oficina de cincuenta años se ha convertido en la Sala Rabi, una sala de estudio que también sirve como santuario para el hombre. Hay una placa en su honor en la pared. También lo son más de veinte fotografías de Rabi, junto con su medalla del Premio Nobel de Física, otorgada en 1944. Dos estudiantes en el salón, enterrados en el trabajo, reconocen de inmediato que nunca han oído hablar de él. Ni siquiera he mirado las fotografías, dice uno. Luego, el otro, mirando las imágenes, se detiene para asimilar el texto adjunto que recita los logros de Rabi. Vaya, eso es una locura, dice ella. Debería de haber sabido eso.

Nacido en lo que ahora es Rymanów, Polonia, y criado en la ciudad de Nueva York, Rabi obtuvo su doctorado en Columbia en 1927. Tres años después, Columbia lo contrató por $ 3,000 al año. Sus conferencias sobre física teórica fueron particularmente horribles, dijeron sus estudiantes, pero sus habilidades de investigación fueron asombrosas. Creo que los físicos son los Peter Pan de la raza humana, le dijo al Neoyorquino en 1975. Nunca crecen y mantienen su curiosidad. Ese rasgo fue alentado por su madre, décadas antes; a su regreso de la escuela, ella decía: Izzy, ¿hiciste una buena pregunta hoy?

Rabi nunca dejó de preguntarles, y después de llegar a Columbia, ciertamente respondió a algunos. Como cualquier físico de su generación, estaba decidido a desentrañar los enigmas del átomo; Particularmente intrigantes fueron los protones, partículas dentro del núcleo del átomo. En pocas palabras, Rabi aprendió que los protones, si se colocan en un campo magnético y son golpeados por ondas de radio, generan una señal de energía.

el mago de oz sobre el arcoiris

El físico de Columbia Isidor Isaac Rabi descubrió la resonancia magnética nuclear en la década de 1930. Foto: Imágenes de la historia de la ciencia / Alamy

La aplicación médica de ese hallazgo no fue evidente para Rabi. Nadie imaginó que esta señal podría eventualmente usarse para obtener imágenes del interior del cuerpo humano y detectar enfermedades cardíacas o cáncer. Pero el descubrimiento de la RMN (resonancia magnética nuclear) condujo al desarrollo de la resonancia magnética, la resonancia magnética. La perspicacia de Rabi, innegablemente genial, finalmente encendió una tecnología multimillonaria que algún día podría salvarle la vida. Quizás ya lo haya hecho.

En el sótano del Centro de Ciencias Jerome L. Greene en el campus de Manhattanville se encuentra el armario de escobas de Tommy Vaughan, una habitación con poco más que un escritorio, tres sillas y una pizarra. Aunque no es oficialmente la oficina de Vaughan, el espacio es su lugar para esconderse, dice, incautado para hacer algo de trabajo. Como director de investigación de resonancia magnética en el Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute, tiene mucho que hacer. Los setenta y dos estudios que supervisa en el nuevo Centro de Investigación de Resonancia Magnética (RM) de la escuela, su creación, son solo el comienzo, dice.

Vaughan es uno de los ingenieros de resonancia magnética más importantes del mundo. Durante treinta y cinco años, ha diseñado, construido y actualizado sistemas y aplicaciones de resonancia magnética; posee más de cincuenta patentes. Los fabricantes de biotecnología y medicina licencian regularmente sus inventos. Sin embargo, él también parece estar comenzando. Reclutado en 2016 de la Universidad de Minnesota, se está preparando para acelerar radicalmente la investigación de resonancias magnéticas en Columbia. Estamos a punto de revolucionar la forma en que enfocamos la ciencia y la medicina, dice.

Tommy Vaughan es el director del Centro de Investigación de Resonancia Magnética. Foto: John Abbott

Sobre el umbral, en realidad. Integrado principalmente por neurólogos e ingenieros de Columbia, el MR Research Center se distribuye en cuatro ubicaciones que cuentan con ocho máquinas de resonancia magnética: tres en el Instituto Zuckerman de Manhattanville, tres más en el Centro Médico Irving de la Universidad de Columbia, una en el Instituto Psiquiátrico del Estado de Nueva York y una en el Instituto Nathan S. Kline de Investigación Psiquiátrica en Orangeburg, a unas veinte millas al norte de la ciudad de Nueva York. Dentro del próximo año, otra resonancia magnética llegará a la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Fundación Fu. Eventualmente, el centro tendrá dieciocho resonancias magnéticas. Actualmente, ninguna institución de investigación en el mundo tiene tantos. En lugar de diagnosticar a los pacientes, las resonancias magnéticas buscarán pistas que puedan conducir a curas para trastornos y enfermedades del cerebro: anorexia, alcoholismo, Alzheimer, Parkinson, Huntington, esquizofrenia, suicidio, accidente cerebrovascular; la lista continúa, al igual que los planes de Vaughan.

Podemos construir un imán más pequeño y más barato que podemos colocar en cualquier lugar, dice. Incluso en el medio de Mongolia Interior. En cualquier lugar del planeta.

Después del gran avance de Rabi, los laboratorios de química utilizaron la RMN para examinar moléculas orgánicas. Así es como sabemos cómo se ven los azúcares, las proteínas y el ADN, dice Vaughan. Cuando los médicos comenzaron a escanear a los pacientes a principios de los ochenta, el nombre ya era un problema; En cuanto a las relaciones públicas, la RMN tenía un problema de imagen. Los pacientes no podían pasar la N, como en la energía nuclear. Algunos estaban convencidos de que el escáner los estaba empapando con radiación mortal. La RMN se convirtió en RM, el mismo concepto pero que suena mucho más benigno. (Más recientemente, algunos investigadores han comenzado a usar el término MR).

Las resonancias magnéticas ya no se consideran exóticas. Han estado obteniendo imágenes de sus órganos, tejidos y huesos durante casi cuarenta años. Pueden ver piel, músculos, vasos sanguíneos, tendones, tumores, articulaciones y ligamentos con asombroso detalle. A pesar de sus aterradores adornos (el imán de quince toneladas, esos fuertes golpes, ese espacio opresivo y estrecho, las intimidantes advertencias publicadas en todas partes), las resonancias magnéticas son indoloras e inofensivas.

Las imágenes de resonancia magnética están completamente libres de radiación, dice Kathleen Durkin del Instituto Zuckerman. Puede hacerse una resonancia magnética todos los días de su vida y estar perfectamente seguro. Por el contrario, las máquinas de rayos X emiten pequeñas dosis de radiación y no pueden obtener imágenes de todo. Funcionan mejor en tejidos duros, como dientes y huesos. Odio este cliché, dice Vaughan, pero la resonancia magnética es una ventanilla única para el diagnóstico y también para la ciencia, para tratar de comprender cómo funcionan el cuerpo y la mente. Esta es la herramienta definitiva para observar de forma no invasiva un sistema vivo.

De los millones de pacientes escaneados, pocos saben cómo funciona la máquina. Sin embargo, a pesar de todo su carácter espeluznante y sofisticado, las resonancias magnéticas dependen completamente del compuesto químico más común en la Tierra: el agua. Una resonancia magnética tiene que ver con el agua. Y los seres humanos caminan con bolsas de agua, dice Durkin. De hecho, el 60 por ciento de ustedes es agua. Y esa agua dentro de su cuerpo, dice, emite una señal a la resonancia magnética.

Cada molécula de agua son dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno. Pero solo los protones de los átomos de hidrógeno envían la señal. Entra en la sala de resonancia magnética y entra en el campo magnético de la máquina y billones de protones de hidrógeno en tu cuerpo se ponen de manifiesto. No lo sientes, dice Durkin. Pero el procedimiento esencialmente ha comenzado. Como limaduras de hierro cerca de un imán de juguete, los protones de hidrógeno se alinean con el campo magnético.

El sesenta por ciento del cuerpo humano es agua y los átomos de hidrógeno de esa agua envían una señal a la máquina de resonancia magnética. Foto: J. Thomas Vaughan / Instituto Zuckerman de Columbia

Una vez en la cama de resonancia magnética, el paciente es empujado hacia el cilindro, que alberga el imán. En el escáner de resonancia magnética hay una antena. Transmite ondas de radio. Invisibles e inocuas, las ondas de radio hacen ping a sus protones de hidrógeno. Absorben las ondas de radio. Giran en una dirección diferente. Momentáneamente desconcertados, necesitan tiempo para enderezarse.

Mientras se realinean, dice Durkin, escupen una señal, un poco de energía. Esa señal es un leve rebote de la onda de radio que los golpeó. Una segunda antena, un receptor, escondido en una bobina cerca de su cabeza, intercepta la señal. De la misma forma que funciona su televisor, las unidades de procesamiento de la resonancia magnética descifran la señal y reducen el ruido, todo de inmediato. Y sacamos una imagen del cerebro, dice Durkin. O una imagen de un abdomen, un tobillo o cualquier cosa en el cuerpo. A partir de poco más que señales subatómicas, una resonancia magnética puede discernir un tumor canceroso.

Es difícil comprender el poder de una máquina de resonancia magnética. Use o sostenga algo metálico o electrónico dentro de su campo magnético (error mayor) y lo descubrirá. Su teléfono podría salir volando de su mano y estrellarse contra la máquina. Los marcapasos pueden volverse erráticos. Los objetos grandes con partes metálicas, como sillas, se han recogido y tirado dentro del cilindro.

También es difícil comprender cuán sensibles son las máquinas. Para que la resonancia magnética funcione, el imán debe estar sobreenfriado a -452 grados Fahrenheit, el borde del cero absoluto. Un poco más caliente que eso y el imán se apaga. Eso significa que ya no es superconductor, dice Vaughan. El daño a la máquina puede ser considerable, si no irreversible. El helio líquido, el refrigerante, es escaso y caro, y la resonancia magnética, con sus docenas de kilómetros de alambre enrollado, simplemente lo traga.

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La resonancia magnética de la vivienda es un desafío. Ocupan mucho espacio; junto con la máquina, están los equipos contiguos y las salas de consolas. Y el imán debe protegerse de las interferencias, dice Vaughan, razón por la cual las paredes de las salas de resonancia magnética en el Instituto Zuckerman están revestidas con láminas delgadas de cobre. Bloquean las ondas de radio entrantes; de lo contrario, las señales de las estaciones de radio y televisión locales se mezclarían con la resonancia magnética y distorsionarían la imagen.

La fuerza de un imán de resonancia magnética se mide en unidades de T, o teslas, en honor al científico Nikola Tesla . Dice Durkin: ¿Alguna vez has visto uno de esos grandes imanes en el depósito de chatarra que levanta un automóvil y lo aplasta en un cubo? Eso es 1 tesla. Dos de las resonancias magnéticas del Instituto Zuckerman (llamadas June y Eve) son de 3 teslas, el triple de esa fuerza.

Kathleen Durkin, directora de imágenes por resonancia magnética, ayuda a coordinar unos setenta y dos estudios en el centro de investigación. Foto: Eileen Barroso / Instituto Zuckerman de Columbia

Cuanto más fuerte sea el imán de IRM, mayor será la resolución, mayor será el detalle, más útil será la imagen; a la mayoría de los hospitales les va bien con un tesla de 1,5. La tercera resonancia magnética de Zuckerman, una de 9,4 tesla (sin nombre) es más de seis veces mayor, pero con una compensación. Cuanto más fuerte es el imán, más pequeño es el orificio, el espacio donde se acuesta el sujeto. Con un 9.4, dice Durkin, el agujero es tan pequeño que la gente no puede entrar. En cambio, la pequeña bandeja solo es lo suficientemente grande para contener ratones. Sin embargo, dentro de los próximos dos años, un 7 tesla llegará a Zuckerman. La gente puede caber en este. Dice Durkin: Las imágenes son espectaculares.

En este momento, Vaughan está desarrollando una resonancia magnética de 1.5 tesla que es un generador de imágenes solo para la cabeza, dice. Parece el secador de pelo bajo el que se sentó tu madre en el salón de belleza. Debería estar listo en tres años. En lugar de registrar la actividad cerebral de alguien que yace inmóvil dentro de un tubo, la resonancia magnética de la cabeza de Vaughn permite que los sujetos se sienten en una silla con los brazos y las manos libres. Los científicos capturarán cómo el cerebro interactúa con el cuerpo mientras alguien teje una canasta, levanta pesas, hace un dibujo o toca el piano.

Representación de una máquina de resonancia magnética de solo la cabeza que podrá escanear la actividad cerebral mientras alguien hace un dibujo, toca el piano o levanta pesas. Imagen: J. Thomas Vaughan / Instituto Zuckerman de Columbia

Columbia fundó oficialmente el Centro de Investigación MR en 2018, y muchos de los estudios recién están comenzando. Aunque fabricantes como Siemens, GE y Toshiba venden MRI listas para usar (el costo es de aproximadamente $ 1 millón por tesla), algunas máquinas requieren una reconfiguración de su hardware para adaptarse a la investigación. Las modificaciones pueden tardar meses. Algunas de las adaptaciones nunca se han hecho antes.

Un ejemplo: Ray Lee, un científico investigador senior del Instituto Zuckerman, quiere ver cómo responden los cerebros cuando las personas tocan, hablan y sonríen. Así que diseñó la primera bobina de resonancia magnética de doble cabezal del mundo, una forma de poner a dos sujetos bajo un imán y escanear sus cerebros simultáneamente. Esto es fundamentalmente diferente de todas las metodologías anteriores, dice. Es una nueva forma de estudiar a las personas que interactúan entre sí.

La forma antigua exigía que los investigadores mostraran fotografías de la familia y los amigos de un sujeto en una pantalla dentro del orificio y le pidieran al sujeto que reaccionara ante ellas. Las interacciones reales, acariciar la cara de un compañero, tomarse de la mano y compartir conversaciones tranquilas, obviamente están excluidas. Lee espera diferencias dramáticas con su invento. Cuando dos personas se miran, hay un intercambio emocional real, dice. Hay mucha más actividad cerebral que alguien que simplemente mira una imagen.

Yuval Neria , profesor de psicología médica en CUIMC, está tratando de descubrir por qué algunos cerebros reavivan traumas de hace mucho tiempo en lugar de extinguirlos. Investigaciones anteriores muestran que los síntomas del trastorno de estrés postraumático, que incluyen ansiedad, agitación, depresión, flashbacks y pesadillas, pueden desaparecer después de un evento horrible, solo para reaparecer décadas después, cuando la víctima se encuentra en la mediana edad o más. El envejecimiento es un gran promotor del TEPT de aparición tardía, dice Neria. Puede ser muy incapacitante. Por lo general, el desencadenante es un nuevo factor de estrés, como la pérdida de un cónyuge o un problema de salud. Tales recaídas no son infrecuentes en los veteranos de guerra. Durante dos o tres décadas después del combate, a muchos les va bien; luego, una pérdida repentina lo cambia todo.

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La resonancia magnética puede ver esos cambios en tres regiones del cerebro: el hipocampo, donde se almacena la memoria; la corteza prefrontal, donde se toman las decisiones; y la amígdala, el centro de alarma. Si las conexiones entre ellos se confunden y la amígdala funciona mal, el cerebro no puede discriminar entre lo que es peligroso y lo que es seguro, dice Neria. Los eventos cotidianos pueden desencadenar flashbacks.

El científico investigador principal Ray Lee está diseñando una máquina que puede acomodar a dos personas y capturar la interacción humana. Foto: Eileen Barroso / Instituto Zuckerman de Columbia

Pero existen soluciones. Con una subvención del Instituto Nacional de Salud Mental, Neria comparó las resonancias magnéticas de pacientes antes y después de diez semanas de terapia de conversación. Contar la historia traumática una y otra vez parece ayudar. La corteza prefrontal amortigua la amígdala demasiado activa, dice: el cerebro está mejor conectado. Tiene mayor capacidad para lidiar con el trauma.

Sin la resonancia magnética, Neria tendría que depender del autoinforme, que no siempre es definitivo. Sabemos, después de décadas de autoinformes, lo sesgados que son, dice. Pero con la resonancia magnética, tienes datos.

Casi cualquier persona que pase varias horas en un concierto de rock o un partido de fútbol puede notar después un molesto artefacto auditivo: un zumbido o un rugido dentro del oído. Puede ser agudo, como el chillido de los grillos, o un ruido sordo, como un motor a reacción durante el vuelo. Espere unos minutos o duerma bien por la noche y el estruendo generalmente desaparece. Pero para algunos, el sonido no se detiene. Nunca más habrá un momento de vacaciones del ruido.

El diagnóstico es tinnitus. Los expertos médicos rara vez están de acuerdo en algo al respecto, incluso en la pronunciación (algunos dicen tin-NIGH-tus; otros, TIN-uh-tus), pero millones lo tienen y no hay cura. La terapia cognitivo-conductual puede ayudar, pero para algunos el sonido es tan estridente que quedan virtualmente incapacitados. Algunos están tan devastados que se suicidan. La mitad de los soldados estadounidenses expuestos a los artefactos explosivos improvisados ​​desarrollan tinnitus y 1,5 millones de veteranos reciben beneficios por discapacidad por ello, a un costo de $ 2 mil millones por año.

Diana Martinez , profesor de psiquiatría en CUIMC, contrajo tinnitus hace siete años después de un vuelo de Hawai a Newark. Fue un zumbido agudo, recuerda. Me sentí como si estuviera en la estación de metro todo el día. Martínez tuvo suerte. El tinnitus, un trastorno misterioso, desaparece ocasionalmente y, en una semana, el de ella lo hizo. Gracias a Dios, dice ella. Es miserable.

Exploraciones del cerebro de un ratón. El de la derecha muestra el volumen de sangre cerebral. Foto: Jia Guo / Universidad de Columbia

Martínez nunca olvidó esa terrible semana. Su nuevo estudio de 1,6 millones de dólares, financiado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos, supervisará a cuarenta voluntarios. Investigaciones anteriores sugieren que los cerebros de los pacientes con tinnitus tienen niveles bajos de GABA, un aminoácido que se cree bloquea la ansiedad (un freno en el cerebro, dice Martínez). Las inyecciones de ketamina, un anestésico común, podrían ayudar; Los hallazgos anteriores muestran que la ketamina aumenta el GABA en la corteza prefrontal. Aumente el GABA en la corteza auditiva, la parte del cerebro que procesa la audición, y el tinnitus puede disminuir.

Con la resonancia magnética, es más fácil saber si la ketamina está funcionando. Al igual que con el estudio de PTSD de Neria, Martínez puede preguntar a los pacientes si se sienten mejor, pero las respuestas de la encuesta son subjetivas. Con los pacientes en el escáner, la resonancia magnética puede visualizar el cambio en los niveles de GABA después de las inyecciones de ketamina. Es la mejor forma de mirar, dice Martínez. 500 millones de personas en todo el mundo pueden beneficiarse de su investigación.

Hacer la investigación es una cosa. Entregar los datos al mundo es otra. Vaughan también ha pensado en eso.

Desde el primer día, dice, hemos guardado todos nuestros datos de RM en la nube.

Esta es la primera vez, al menos para la investigación de resonancia magnética. Los laboratorios, limitados por la capacidad de almacenamiento, alguna vez tuvieron que deshacerse de datos antiguos para dejar espacio para más. Pero durante el último año y medio, el Instituto Zuckerman ha almacenado una gran cantidad de datos en la nube en una plataforma personalizada de Google. Con el tiempo, el aprendizaje automático avanzado analizará los datos en una fracción del tiempo que le tomaría a un investigador. Este será el futuro, dice Vaughan. Simplemente tiene que ser.

Y será otro comienzo: Vaughan espera que Columbia sea el prototipo de una red mundial de datos basados ​​en la nube. Los consorcios de investigadores podrían conectarse. ¿Está buscando pistas para curar el autismo, el trastorno de estrés postraumático, el tinnitus y miles de otros trastornos? Simplemente acceda a la nube y analice los datos de millones con el mismo problema. Si el conjunto de datos es lo suficientemente grande, dice Vaughan, puede hacer una pregunta, obtener una correlación y responder cualquier pregunta médica que pueda imaginar. La nube es como tu mente. Cuanta más información tenga, más inteligente será. Esto abre un mundo completamente nuevo.

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Pero hoy, el 90 por ciento del mundo no tiene acceso a las resonancias magnéticas. Las máquinas son grandes, pesadas, frágiles y caras, dice Vaughan. En gran parte de Asia, África y América del Sur, no son asequibles, entregables o mantenibles. Necesitamos un tipo de imán completamente diferente, dice. Uno que podríamos llevar al mundo en desarrollo. Uno que puede ir en la parte trasera de un camión y rebotar en un camino de tierra lleno de baches hasta una aldea en Guatemala.

Un sistema de RM de 3 teslas en el Instituto Zuckerman. Foto: J. Thomas Vaughan / Instituto Zuckerman de Columbia

Para que eso suceda, el imán y el escáner deben tener una quinta parte del tamaño y el peso de los modelos actuales y, sin embargo, proporcionar una imagen igual de buena. Vaughan está trabajando en ello. Con una unidad miniaturizada, el costo es menor. La entrega es más fácil. Los sistemas de baterías solares o un generador podrían suministrar energía. Esa suite estándar de tres habitaciones se convierte en una habitación individual. Para el refrigerante, el costoso helio líquido podría reemplazarse con nitrógeno, un gas inerte que compone casi el 80 por ciento de la atmósfera terrestre. Se puede licuar directamente del aire, dice Vaughan. Y el sistema de RM de una clínica, por muy remoto que sea, puede enviar datos por enlace satelital directamente a la nube. Podría ejecutar un laboratorio mundial desde su escritorio, dice.

Imagínese tener acceso a miles de millones de pacientes, recopilando y almacenando datos de todos, dice Vaughan. A esa escala, podría estudiar cada enfermedad, comportamiento o característica conocida por el hombre.

Un grupo de inversores internacionales, con sede en China, Malasia, Corea, Taiwán y Estados Unidos, ha pedido a Vaughan que desarrolle un sistema de RM más accesible. Ese programa piloto, si vuela, podría expandirse por todo el mundo. En los EE. UU., Una resonancia magnética de próxima generación podría algún día sentarse en la esquina del consultorio de un médico en Manhattan. Las clínicas sin cita previa estarán en los centros comerciales. Esa información también iría a la nube.

¿Cuánto tiempo antes de que pase todo esto? Una década, dice. En una década, todo el mundo verá esto en su lugar y se extenderá rápidamente por todas partes. ¿Incluso en Mongolia? Sí, dice Vaughan. Incluso Mongolia.

Este artículo aparece en la edición impresa de otoño de 2019 de Revista Columbia con el título 'Los lectores de la mente'.

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