Científicos descubren cómo funcionan los canales eléctricos del cerebro que podrían tratar epilepsia e hipertensión

El equipo de químicos de la Universidad de Massachusetts Amherst ha logrado un avance significativo en la comprensión de cómo funciona el sistema eléctrico del cuerpo humano, específicamente en los canales celulares conocidos como canales de potasio BK (big potassium), que son fundamentales para la comunicación entre células como las neuronas y el tejido cardíaco.

Según el profesor de Química Jianhan Chen, de la Universidad de Massachusetts Amherst, estos canales BK son los más conductivos y uno de los más importantes del cuerpo humano. A diferencia de otros canales iónicos que tienen compuertas rígidas que pueden abrirse y cerrarse para controlar el flujo eléctrico, los canales BK parecen estar siempre abiertos, lo que hasta hace poco representaba un misterio sobre cómo podían regular el flujo de iones.

"En 2018, demostramos que los canales BK tienen una propiedad única", explica Chen. Los canales están compuestos por dos partes: un filtro y un poro. "El poro del BK es muy hidrofóbico, o repelente al agua", señala el investigador. "Cuando el diámetro del canal disminuye por debajo de un umbral particular, expulsa el agua líquida y crea una barrera de vapor, bloqueando el flujo de iones de potasio".

En su investigación más reciente, Chen y su colega Zhiguang Jia, científico del departamento de química de la Universidad de Massachusetts Amherst, demostraron que esta compuerta hidrofóbica que regula los flujos iónicos eléctricos en los canales BK es inherentemente "permeable", lo que significa que no puede detener por completo el flujo de iones. Esta permeabilidad es clave para estudios futuros sobre la infraestructura eléctrica del cuerpo.

Chen comparó el efecto con el papel encerado: "Si dejas caer una gota de agua sobre él, no la absorbe sino que forma una gotita. Ahora enrolla ese papel encerado en un tubo", añade, "y tienes el poro de un canal BK. Mientras ese tubo sea lo suficientemente ancho, el agua puede fluir a través de él. Pero una vez que lo estrechas más allá de cierto diámetro, la naturaleza hidrofóbica de la cera actuará como una compuerta blanda, manteniendo el agua fuera del tubo".

Puesto que un ion, como el ion potasio, siempre está rodeado por agua, una barrera de vapor hidrofóbica, al mantener el agua fuera, también mantiene fuera al ion potasio, apagando efectivamente el flujo de electricidad. O al menos, así es como debería funcionar.

"Hemos descubierto que esta barrera de vapor es inherentemente permeable, determinada por las leyes de la física", dice Chen, lo que significa que aunque la compuerta blanda del canal BK casi siempre puede detener el flujo de iones de potasio, simplemente no puede hacerlo al 100% del tiempo: siempre hay una pequeña probabilidad de que los iones se filtren. La compuerta blanda está "intrínsecamente abierta", incluso cuando se supone que el canal está "completamente" cerrado.

Chen y su coautor también descubrieron que la permeabilidad de la compuerta blanda puede verse influenciada por cambios, incluidas mutaciones, en las características físicas del propio canal BK.

En conjunto, la investigación señala un método para comprender cómo funcionan y fallan los canales BK y aquellos que funcionan de manera similar. Es difícil estudiar una barrera de vapor porque es la ausencia de algo que debería estar allí. Pero la permeabilidad inherente de estos canales puede estudiarse, manipularse en el laboratorio y utilizarse como herramienta de diagnóstico para futuras investigaciones sobre el sistema eléctrico del cuerpo, según afirman los científicos.

Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos.

LAS APLICACIONES MÉDICAS DE LA NEUROESTIMULACIÓN

La comprensión de cómo funcionan los canales iónicos en el sistema nervioso es fundamental para el desarrollo de tecnologías de neuroestimulación, un campo que ya está transformando la medicina, según explica el profesor asociado Mohit Shivdasani de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Australia.

"Todas las funciones del cuerpo están controladas por el cerebro, la médula espinal y los nervios", señala Shivdasani, quien preside el próximo Simposio Australasiático de Bioelectrónica, Neurosensado y Neuromodulación. "Desafortunadamente, a veces estos nervios o el cerebro no envían el mensaje correcto, o hay una enfermedad o trauma que afecta a cierta función".

Lo que décadas de investigación y dispositivos ya en uso en el mundo real han demostrado es que si se envía información a esos nervios en forma de una entrada artificial, se puede restaurar la función en áreas específicas del cuerpo o tratar afecciones subyacentes que las afectan.

Las tecnologías de neuroestimulación ya establecidas incluyen implantes cocleares para personas con sordera profunda, estimulación cerebral profunda para la enfermedad de Parkinson, estimulación de la médula espinal para el dolor neuropático crónico y estimulación del nervio vago para la epilepsia y afecciones inflamatorias.

Los avances en electrónica, ciencia de materiales y procesamiento de datos están permitiendo a los investigadores encontrar nuevas aplicaciones, estimular con mayor precisión y diseñar sistemas que respondan dinámicamente al cuerpo en lugar de operar continuamente.

La neuromodulación de circuito cerrado, que combina la detección de señales nerviosas (neurosensado) con la estimulación, representa la próxima generación de estos dispositivos. Estos sistemas pueden detectar la actividad neural y ajustar la estimulación en tiempo real, ofreciendo tratamientos más precisos y personalizados.

"Nunca es una cura para la afección subyacente, pero puede devolver una calidad de vida significativa a la mayoría de los receptores de implantes", aclara Shivdasani.

A pesar de los avances, el campo enfrenta desafíos significativos. El cerebro es extraordinariamente complejo y no tolera fácilmente objetos extraños. Prevenir reacciones inmunes, filtrar el "ruido" neural y garantizar una orientación precisa son áreas de investigación en curso.

Uno de los mayores obstáculos técnicos es la precisión. En la estimulación cerebral profunda, los cirujanos deben dirigirse a regiones de solo unos pocos milímetros de ancho, ubicadas hasta 10 centímetros dentro del cerebro.

Otro obstáculo para el avance es simplemente el tiempo. Desarrollar este tipo de dispositivos médicos puede llevar más de una década, en comparación con solo unos pocos años para la tecnología de consumo.

La percepción pública también es otro obstáculo. Mientras que las personas con enfermedades graves pueden aceptar implantes, otras pueden sentirse incómodas permitiendo que se implanten dispositivos que interactúan con su cerebro.

"No estamos pensando en superhumanos. Los humanos son lo suficientemente complicados. Lo que estamos haciendo es ayudar a las personas que lo necesitan", concluye Shivdasani.