El padre de la neurociencia moderna descubrió la unidad básica del sistema nervioso

Santiago Ramón y Cajal se sentaba solo en el laboratorio de su casa, con la cabeza inclinada y la espalda encorvada, sus ojos negros mirando el cañón de un microscopio, el único objeto que le unía al mundo exterior.

Su amplia frente y su nariz aguileña le daban el aspecto de un caballero distinguido, casi regio, aunque la coronilla de su cabeza era tan calva como la de un monje.

Sólo contaba con una multitud de botellas de cristal para el público, algunas cortas y robustas, otras altas y delgadas, tapadas con corcho y llenas de polvos blancos y líquidos de colores; las otras sillas, apiladas con diarios y libros de texto, no dejaban espacio para que se sentara nadie más.

El mantel, manchado de tinte, tinta y sangre, estaba salpicado de dibujos de formas a la vez sobrenaturales y naturales. Sobre la mesa de trabajo se encontraban dispersas coloridas diapositivas transparentes, montadas con astillas de tejido nervioso de animales sacrificados, todavía pegajosas al tacto por los tratamientos químicos.

Con el pulgar y el índice de la mano izquierda, Cajal ajustaba las esquinas del portaobjetos como si fuera un marco de fotos en miniatura bajo el objetivo de su microscopio.

Con la mano derecha giró el pomo de latón situado en el lateral del instrumento, murmurando para sí mismo mientras enfocaba la imagen: cuerpos de color negro parduzco que parecían manchas de tinta y apéndices filiformes irradiados sobre un fondo amarillo transparente. El maravilloso paisaje del cerebro se le reveló por fin, más real de lo que hubiera podido imaginar.

Un joven Cajal aparece en un retrato fotográfico de 1871. Crédito: Instituto Cajal, Legado Cajal, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Madrid, España.

A finales del siglo XIX, la mayoría de los científicos creían que el cerebro estaba compuesto por una maraña continua de fibras tan serpenteantes como un laberinto. Cajal aportó la primera prueba clara de que el cerebro está compuesto por células individuales, más tarde denominadas neuronas, que son fundamentalmente iguales a las que componen el resto del mundo viviente.

Creía que las neuronas servían como unidades de almacenamiento de impresiones mentales, como pensamientos y sensaciones, que se combinaban para formar nuestra experiencia de estar vivos: «Conocer el cerebro equivale a averiguar el curso material del pensamiento y la voluntad», escribió. El ideal más elevado para un biólogo, declaró, es aclarar el enigma del ser. En la estructura de las neuronas, Cajal creía haber encontrado el hogar de la propia conciencia.

Cajal es considerado el fundador de la neurociencia moderna. Los historiadores lo han clasificado junto a Darwin y Pasteur como uno de los más grandes biólogos del siglo XIX y entre Copérnico, Galileo y Newton como uno de los más grandes científicos de todos los tiempos. Su obra maestra, Textura del sistema nervioso del hombre y de los vertebrados, es un texto fundacional para la neurociencia, comparable a Sobre el origen de las especies para la biología evolutiva.

Cajal recibió el Premio Nobel en 1906 por sus trabajos sobre la estructura de las neuronas, cuyo nacimiento, crecimiento, declive y muerte estudió con devoción e incluso con una especie de compasión, casi como si fueran seres humanos. «Las misteriosas mariposas del alma», las llamó Cajal, «cuyo batir de alas puede revelarnos algún día los secretos de la mente». Produjo miles de dibujos de neuronas, tan bellos como complejos, que aún se imprimen en los libros de texto de neuroanatomía y se exponen en los museos de arte.

Más de 100 años después de que recibiera su Premio Nobel, estamos en deuda con Cajal por nuestros conocimientos sobre el aspecto del sistema nervioso. Algunos científicos incluso llevan tatuados en su cuerpo los dibujos de las neuronas de Cajal. «Sólo los verdaderos artistas se sienten atraídos por la ciencia», decía.

Terminaciones nerviosas que Cajal extrajo de una sección del tálamo del ratón, un punto clave de transmisión de señales neuronales. Crédito: Instituto Cajal, Legado Cajal, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Madrid, España.

Los astrocitos, células de soporte de las neuronas, rodean un vaso sanguíneo. Crédito: Instituto Cajal, Legado Cajal, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Madrid, España

Una nueva verdad

En la época de Cajal, el método más avanzado para visualizar las células era la histología, un intrincado y temperamental proceso de tinción de tejidos disecados con productos químicos cuyas moléculas se adherían a la sutil arquitectura de las células, haciéndolas milagrosamente visibles a través de un microscopio de luz. Con las primitivas tinciones disponibles, los investigadores de toda Europa intentaron, sin éxito, esclarecer la cuestión de lo que hay dentro del cerebro, que se creía el órgano de la mente.

Entonces, en 1873, en la cocina de su apartamento de Abbiategrasso, a las afueras de Milán, el investigador italiano Camillo Golgi, por una combinación de suerte y habilidad, dio con una nueva técnica que revolucionó la neuroanatomía. «He obtenido resultados magníficos y espero hacerlo aún mejor en el futuro», escribió Golgi en una carta a un amigo, pregonando su método como tan poderoso que podía revelar la estructura del tejido nervioso «incluso a los ciegos».

Lo llamó la reacción negra. Uno de los estudiantes de Golgi reconoció «la maravillosa belleza de la reacción negra…permite incluso al profano apreciar las imágenes en las que la silueta de la célula destaca como si hubiera sido dibujada por Leonardo». Cajal, que vio por primera vez la técnica en casa de un colega que acababa de regresar de estudiar en París, quedó absolutamente prendado.

«Sobre el fondo amarillo perfectamente translúcido», recordaba Cajal, «aparecían escasos filamentos negros lisos y finos o espinosos y gruesos, ¡así como cuerpos negros triangulares estrellados o fusiformes! Se hubiera creído que eran diseños en tinta china sobre papel japonés transparente… Aquí todo era simple, claro y sin confusión … El ojo asombrado no podía apartarse de esta contemplación. La técnica del sueño es una realidad».

Aunque la reacción negra redujo drásticamente el número de elementos nerviosos visibles en un portaobjetos de microscopio, esos elementos seguían estando tan densamente empaquetados que sus fibras parecían inextricables unas de otras. Tradicionalmente, los investigadores estudiaban el tejido nervioso de humanos adultos que habían muerto de forma natural después de una vida normal.

El problema era que, en el sistema nervioso adulto, las fibras ya estaban completamente desarrolladas y, por tanto, eran extremadamente complejas desde el punto de vista estructural. Buscando una solución a este problema, Cajal recurrió a la embriología -también conocida como ontogenia-, sobre la que había leído por primera vez en un libro de texto universitario.

«Si vemos la secuencia natural a la inversa», explicó Cajal, «no debería sorprendernos encontrar que muchas complejidades estructurales del sistema nervioso desaparecen gradualmente». En los sistemas nerviosos de los especímenes más jóvenes, los cuerpos celulares serían en teoría más simples, las fibras más cortas y menos numerosas, y las relaciones entre ellas más fáciles de discernir.

El sistema nervioso también se adaptaba bien al método embriológico porque, a medida que los axones crecían, desarrollaban vainas de mielina -capas aislantes de grasa y proteínas- que repelían los microcristales de plata, impidiendo que las fibras encerradas se tiñeran. Los axones más jóvenes sin vainas gruesas absorben mejor la tinción.

Además, los axones maduros, que a veces alcanzan varios metros de longitud, son más propensos a ser cortados durante el seccionamiento.

«Ya que el bosque adulto resulta impenetrable e indefinible», escribió, «¿por qué no volver al estudio de la madera joven en la etapa de vivero, como podríamos decir?».

A la edad de 36 años, Cajal se encontró incubando huevos, tal y como le había gustado hacer cuando era niño. Esta vez, en lugar de esperar a presenciar «la metamorfosis del recién nacido», Cajal cortó la cáscara del huevo a los pocos días y extrajo el embrión.

El tejido embrionario era demasiado delicado para soportar la presión del cierre de un microtomo. Así que, sujetando el bloque de tejido entre el pulgar y el índice de su mano izquierda, cortó secciones con una cuchilla de afeitar, aplicando su formación como barbero durante los odiados aprendizajes de su juventud, de una forma que nunca podría haber previsto.

Un alumno particular de Cajal en Barcelona, que trabajó en el laboratorio con él, atestiguó que sus secciones cortadas a mano -a menudo de entre 15 y 20 micras de grosor- eran tan perfectas como las cortadas con cualquier máquina.

En abril de 1888 Cajal preparó muestras del cerebelo de un embrión de paloma de tres días. A través del microscopio, fijó su mirada en un axón claro y fino que se arqueaba hacia abajo desde su base -una protuberancia suave y cónica en el cuerpo de la célula- y siguió la línea negra, paralizado, como si todavía fuera un niño siguiendo el curso de un río.

El axón se curvó, corriendo a lo largo de la capa de células que tenía debajo hasta que empezó a ramificarse. A los ojos de Cajal, la célula de Purkinje teñida con la reacción negra parecía el «árbol más elegante y frondoso».

Trazó una rama desde el cuerpo central «en forma de pera» de la célula hasta su extremo, donde se acercaba a otras células, conocidas como células estrelladas, formando cada una una especie de «cesta». Aunque estaban íntimamente relacionadas, la «pera» de una célula y la «cesta» de otra nunca se tocaban. Cajal sintió que surgía una «nueva verdad» en su mente: las células nerviosas terminaban libremente. Eran individuos distintos.

Capas de células de la retina. Cajal realizó estudios de secciones de retina de diferentes animales, observando sus similitudes estructurales. Crédito: Instituto Cajal, Legado Cajal, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Madrid, España

La Jungla Enredada

Desde que los investigadores comenzaron a estudiar el sistema nervioso en la antigüedad, han tendido a comparar su estructura con las tecnologías contemporáneas. Los antiguos egipcios veían en la carcasa exterior del cerebro, con sus fisuras y circunvoluciones, la escoria ondulada que quedaba tras la fundición del mineral. Los antiguos griegos pensaban que el cerebro funcionaba como una catapulta.

René Descartes creía que los espíritus animales fluían desde el cerebro a través de los nervios huecos e inflaban los músculos, igual que el fluido hidráulico viajaba a través de las máquinas en los jardines reales de Saint-Germain. En el siglo XIX, una nueva era del transporte, el anatomista Otto Deiters, entre otros muchos, concibió el sistema nervioso como un ferrocarril, con cruces en los que se podía dirigir el tráfico.

A mediados del siglo XIX, la metáfora ferroviaria del sistema nervioso dio paso a otro avance tecnológico transformador: el telégrafo. La escuela biofísica alemana, encabezada por Hermann von Helmholtz y Emil du Bois-Reymond, lideró la iniciativa.

«La maravilla de nuestro tiempo, la telegrafía eléctrica, fue modelada hace tiempo en el animal», dijo du Bois-Reymond en un discurso de 1851. Argumentó que la similitud entre el sistema nervioso y el telégrafo eléctrico era mucho más profunda. «Es más que una similitud», escribió. «Es un parentesco entre ambos, una coincidencia no sólo de los efectos, sino quizá también de las causas».

A su vez, los ingenieros que diseñaron las redes telegráficas, como Samuel Morse y Werner von Siemens, se fijaron en el sistema nervioso biológico como modelo de centralización y organización. Con la gente viajando a través de los países por primera vez y comunicándose entre sí en todo el mundo, la interconexión se convirtió en un ideal social.

Cuando Alemania se unificó finalmente en 1871, su red telegráfica, centrada en Berlín y que llegaba a todos sus territorios, se convirtió en símbolo e instrumento del poder imperial. Por aquella época, quizá influido por la metáfora predominante, el anatomista alemán Joseph von Gerlach observó el tejido nervioso a través de su microscopio y vio la maraña de fibras: un retículo.

Cajal, que creció en el campo preindustrial, vio en el sistema nervioso las imágenes naturales de su infancia. «¿Hay en nuestros parques algún árbol más elegante y frondoso que el corpúsculo de Purkinje del cerebelo o la célula psíquica, es decir, la famosa pirámide cerebral?», preguntó.

Observó ramificaciones de axones «a la manera del musgo o de las zarzas en una pared», a menudo sostenidas por «un tallo corto y delicado como una flor»; un año después se decidió por el término «fibras musgosas». Estas fibras, descubrió, terminan en «rosetas» que se acercan a las dendritas de otras células pero, de nuevo, no las tocan. Hay «terminaciones de nido» y «fibras trepadoras», que se aferran «como la hiedra o la vid al tronco de un árbol».

Sobre todo, las células parecían conectarse como «un bosque de árboles extendidos». La materia gris era un «huerto»; las células piramidales estaban apiñadas en una «arboleda inextricable». Cajal dio con el método embriológico para estudiar el sistema nervioso, dijo, mientras reflexionaba sobre la diferencia de complejidad entre el «bosque adulto» y el «bosque joven».

La corteza cerebral, impenetrable y salvaje, era una «selva aterradora», tan intimidante como la de Cuba, donde había luchado en la Guerra de los Diez Años. A fuerza de voluntad, creía Cajal, el ser humano puede transformar «la enmarañada jungla de células nerviosas» en «un ordenado y delicioso jardín». Cajal siempre temió que el atraso de su entorno hubiera frenado su crecimiento intelectual.

«Lamento no haber visto primero la luz en una gran ciudad», escribió en su autobiografía. Pero el paisaje subdesarrollado de su infancia se convirtió en el rico terreno que alimentó una comprensión distinta a la de sus contemporáneos.

Aunque evocó el telégrafo de vez en cuando, en un discurso escrito por él y leído en su ausencia en el Congreso Médico Internacional de Roma de 1894, Cajal rechazó fundamentalmente la metáfora.

Su oposición se basaba tanto en sus descubrimientos anatómicos como en sus observaciones sobre su propia mente. «Una red continua preestablecida -como el entramado de los hilos telegráficos en el que no pueden crearse nuevas estaciones ni nuevas líneas- de algún modo rígida, inmutable, incapaz de ser modificada», dijo, «va en contra del concepto que todos tenemos del órgano del pensamiento: que, dentro de ciertos límites, es maleable y capaz de ser perfeccionado mediante una gimnasia mental bien dirigida.» Sabía, en otras palabras, que podía cambiar de opinión.

Por eso no podía tolerar el retículo, cuya estructura era fija. El sistema nervioso debe tener la capacidad de cambiar, y esa capacidad, argumentaba, es crucial para la supervivencia de un organismo. Cajal utilizó diversos términos para expresar este concepto: «dinamismo», «fuerza de diferenciación interna», «adaptación [of neurons] a las condiciones del medio» y, sobre todo, «plasticidad».

Cajal no fue el primero en utilizar el término «plasticidad», aunque su discurso en Roma, pronunciado ante una amplia audiencia internacional, fue probablemente el responsable de su popularización. El concepto sigue siendo una de las contribuciones más duraderas de Cajal a la ciencia, inspirada en su singular y poco convencional visión del mundo.