transmission-electron-microscope-redUn microscopio es un aparato con lentes que permiten amplificar y observar una muestra diminuta. A finales del siglo XIX, se identificaron mediante microscopios ópticos muchos de los componentes celulares: los cromosomas, las mitocondrias, los neurofilamentos, el aparato de Golgi o los cuerpos de Nissl, pero los mejores microscopios no iban más allá de los 1.000-1.500 aumentos y aspectos fundamentales de la organización del sistema nervioso quedaban por debajo de ese poder de resolución.

El poder de resolución de un microscopio está limitado por la longitud de onda de la radiación utilizada. Hasta el siglo XX todos los microscopios eran ópticos, usaban la luz visible, pero teóricamente había longitudes de onda que podrían permitir ampliar enormemente el poder de resolución. Hans Busch diseñó en 1926 la primera lente electromagnética lo que abrió la puerta a usar en microscopía haces de electrones en vez de ondas del espectro visible o ultravioleta. El nuevo tipo de microscopio se llamó microscopio electrónico, las lentes eran electromagnéticas —bobinas de hilo de cobre con carga eléctrica— en vez de lentes de cristal y había que usar cortes muy finos y condiciones de vacío para el viaje a través del microscopio de un haz de electrones generado por una alta diferencia de potencial eléctrico.ruska

En 1931, el físico Ernst Ruska y el ingeniero eléctrico Max Knoll construyeron el primer prototipo, que conseguía 400 aumentos, muy por debajo de los que se conseguían con los microscopios ópticos de calidad. Ruska ganó el premio Nobel de Física por su descubrimiento más de cincuenta años después, en 1986. Pero dos años más tarde de ese nuevo prototipo, un nuevo modelo ya superaba esos aumentos y en poco tiempo se llegaba a aumentos entre 20.000 y 100.000 abriendo un mundo desconocido, el de las ultraestructuras. En la actualidad, aunque se trabaja normalmente con magnificaciones menores, se pueden conseguir 2.000.000 de aumentos.

A comienzos de la década de 1950, las casas Siemens y Philips sacaron al mercado los primeros microscopios electrónicos comerciales, lo que abrió este nuevo campo a muchas universidades y centros de investigación. Ernst_Ruska_Electron_Microscope_-_Deutsches_Museum_-_Munich-editHasta entonces, la estructura de las células solo podía estudiarse a microscopía óptica y los orgánulos que contenían en su interior o eran desconocidos o su organización era difusa y apenas comprendida.

La microscopía electrónica abrió una nueva era en la Biología Celular, donde cada orgánulo fue individualmente reconocido y su morfología a microscopía electrónica, esa ultraestructura, fue la base sobre la que se empezaron a conocer y comprender las funciones celulares. Los descubrimientos sobre la ultraestructura de los componentes celulares se sucedieron a un ritmo vertiginoso: mitocondrias (Palade, 1953); mielina (Geren, 1954), cilios (Fawcett y Porter, 1954); retículo endoplásmico (Palade y Porter, 1954); aparato de Golgi (Dalton y Felix, 1954); 78585-004-BC0F7EE4núcleo y nucléolo ( Porter, 1955); ribosomas (Palade, 1955); lisosomas (Novikoff y cols., 1956) y membrana plasmática (Robertson, 1957). Porter y Bennett, dos pioneros del microscopio electrónico, recordaban esta época:

Un mundo nuevo se abría para la investigación; un nuevo surtidor de información había sido descorchado. La excitación sobre los descubrimientos y la comunidad de objetivos nos juntó. Las amistades y el mutuo respeto engendrado en aquellos días excitantes han permanecido y han fortalecido el campo de la biología celular.

Si había un aspecto en el sistema nervioso sobre el que los microscopistas electrónicos apuntaron sus aparatos fue la sinapsis. Cuando Michael Foster realizó en 1897 una revisión de su texto de fisiología, un clásico, le pidió a Sherrington que le mejorara el capítulo sobre la médula espinal. Éste añadió un pequeño párrafo con una nueva palabra:

Tanto como nuestro presente conocimiento alcanza, nos hace pensar que el extremo de la rama de una arborescencia no es continua sino que simplemente contacta con la sustancia de la dendrita o el cuerpo celular en el que impacta. Esa conexión especial de una célula nerviosa con otra puede llamarse una sinapsis.

Sherrington había pensado primero en llamarlo sindesmo, pero Foster contactó con su amigo Verrall, un profesor de clásicas experto en Eurípides, quien propuso el término que conocemos. La razón fue que sinapsis significa un proceso de contacto, algo que gustaba a los fisiólogos como Sherrington y Foster, mientras que sindesmo sugería un vínculo, una estructura de unión y anclaje, algo mucho menos sugerente. Cuando se dispuso de los primeros microscopios electrónicos hacía más de cincuenta años que la idea de Cajal de que las neuronas interaccionaban por «contactos» entre sus axones y sus dendritas era algo asumido pero nadie lo había podido comprobar. El primero que lo hizo fue Sanford L. Palay (1918-2002).

Sanford Palay 1990

Sanford Palay
1990

Palay, nacido en Cleveland, tenia idea de convertirse en microbiólogo pero en su primer año de estudiante de Medicina pidió una beca de verano y fue aceptado en el laboratorio de Ernst y Berta Scharrer, un matrimonio alemán que había emigrado en 1937 a Estados Unidos huyendo de los nazis y que trabajaba en el sistema nervioso. Ernst había conseguido una beca de la Fundación Rockefeller, uno de los mayores impulsores de la ciencia en el siglo XX, pero la joven pareja habían llegado a América con un total de ocho dólares. En un ambiente claramente discriminatorio contra las mujeres, Berta tuvo dificultades para conseguir un puesto de trabajo con sueldo pero aún así se la considera la fundadora de la neuroendocrinología, una rama de la Neurociencia basada en que hay neuronas que secretan sustancias que actúan como hormonas. Palay contaba lo que sus maestros significaron en su formación:

Los Scharrer representaban la vida del intelecto en una forma extraordinariamente atractiva. Sus profesores habían sido las luces más importantes en biología en la primera parte del siglo XX y ellos continuaban la línea de excelencia que la ciencia europea y especialmente la alemana habían logrado desde el comienzo del siglo XX. Para un joven del medio oeste que solo había estado fuera del norte de Ontario dos veces en su vida, ellos representaban el mundo cultivado de los viajes, la literatura, las artes y el renombre. ScharrerPodían hablar con facilidad en inglés, francés y alemán y sabían también italiano y otros idiomas. Conocían a los autores de los libros que leíamos y de los manuales que estudiábamos. Discutíamos todo tipo de temas, de las preguntas científicas que estábamos analizando al estado del mundo, del progreso de la guerra en Europa y el Pacífico a los peligros que se auguraban en los acuerdos de la posguerra. Pasé cada tarde en el laboratorio, o estudiando o haciendo investigaciones.

Al finalizar la II Guerra Mundial, Ernst Scharrer le sugirió a Palay que fuese a trabajar al Instituto Rockefeller con Albert Claude, uno de los primeros biólogos celulares pero el Cuerpo Médico del Ejército le reclutó y le envió a Japón, como parte de las fuerzas de ocupación. Por un lado interrumpió su carrera científica y por otro le dejó un interés de por vida por la cultura japonesa, incluido el cultivo de bonsais. Tras el servicio militar, Palay se unió a Claude, un belga que había escapado de los nazis en la década de 1930 y a George Palade, un rumano que había huido de su país cuando fue invadido por la Unión Soviética en 1947, que estaban haciendo las investigaciones más interesantes sobre las células. Es llamativo como Estados Unidos ha sabido aprovechar la triste historia de Europa en el siglo XX para su fortalecimiento científico. Claude, Palade y De Duve compartirían el premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1974 por sus estudios sobre la estructura de las células. En su búsqueda de la sinapsis, Palay se centró en las células motoras del núcleo abducens pues sabía que los cuerpos de estas neuronas estaban recubiertos de terminales axonales y allí sería más fácil identificarlas.

La prioridad sobre la primera descripción de la sinapsis se discute porque la primera referencia fueron dos pequeñas comunicaciones, resúmenes en congresos, presentados de forma prácticamente simultánea en 1954. George Palade («asistido por Sanford Palay») publicó un resumen en el congreso de la American Association of Anatomists titulado Observaciones a microscopía electrónica de sinapsis interneuronales y neuromusculares donde decía

En el sistema nervioso central (corteza cerebral.. y bulbo raquídeo), se encontraron ocasionalmente figuras de botones terminales con dendritas. En la terminación axonal se encontraba una aglomeración de mitocondrias y pequeñas vesículas (300-500 Å), mientras que las dendritas mostraban menos mitocondrias y vesículas en un citoplasma bastante fibrilar. El axón y la dendrita aparecían separados por sus respectivas membranas plasmáticas, que al nivel del contacto más próximo eran más densas y más gruesas. El espacio entre los sinaptolemas era en torno a 200 Å …

synapse-EM+cartoon_21Esta comunicación era seguida por otra de Sanford Palay («asistido por George Palade») titulada Estudio a microscopía electrónica del citoplasma de la neurona. El resumen contaba que las neuronas tenían conspicuas masas de sustancia de Nissl y que ésta estaba compuesta de membranas delgadas y gránulos, la imagen que ahora conocemos del retículo endoplásmico rugoso. También describieron un segundo sistema de membranas sin gránulos (probablemente el aparato de Golgi, todavía una estructura apenas conocida). Los dos investigadores describían cómo la sustancia de Nissl se introduce en las dendritas por una corta distancia pero luego apenas describen diferencias entre dendritas y axones. Quizá el principal hallazgo fue la ausencia de hallazgos, las neuronas tenían una ultraestructura muy similar a la del resto de las células activas del cuerpo.

En 1956 Palay publicó finalmente un artículo completo describiendo las sinapsis y centrándose en tres aspectos ultraestructurales característicos:  (a) las membranas limitantes cercanamente adosadas del terminal presináptico y la célula o dendrita postsináptica; (b) el grupo de mitocondrias; y (c) las colecciones de pequeñas vesículas llenando el terminal presináptico. La ausencia de continuidad protoplásmica en la superficie de contacto entre los dos miembros de la sinapsis es la confirmación definitiva de la doctrina de la neurona enunciada y defendida por Ramón y Cajal a comienzos de este siglo.

Otro pionero de la ultraestructura de la neurona que hay que mencionar fue Eduardo de Robertis, un porteño hijo de padres inmigrantes italianos. El primer trabajo científico de De Robertis, publicado en 1934, fue una dura crítica a un artículo sobre el desarrollo del embrión aparecido en La Semana Médica. El autor del artículo criticado lo retó a duelo -eso sí que era defender los resultados propios y no las cursilerías que hacemos en la actualidad-  pero el incidente no pasó a mayores gracias a la intervención de Pedro Rojas, maestro y mentor de De Robertis y una de las figuras de la medicina argentina de comienzos del siglo XX. Tras acabar medicina, De Robertis consiguió una beca para estudiar en Francia pero el estallido de la II Guerra Mundial le impidió aprovecharla. Gracias a una gestión de Bernardo Houssay, recibió otra beca de la Academia Nacional de Medicina de Argentina y realizó varios periodos formativos en Estados Unidos, en las universidades de Chicago y John Hopkins y en el Massachussets Institute of Technology. de-robertis-02Volvió a Argentina pero en 1946 renunció a su puesto tras la separación de su cátedra del profesor de Histología Manuel Varela, el sucesor de Pedro Rojas, acusado de desarrollar actividades políticas en su cátedra por el gobierno de Perón. Desde 1949 y tras renunciar a permanecer en Estados Unidos en la Universidad de Washington en Seattle, y no poder incorporarse a la universidad argentina, se instaló en Montevideo. Le había invitado Clemente Estable, que había estado tres años trabajando con Cajal con una beca del gobierno español, de donde volvió para incorporarse a un Instituto de Investigación Biológica en Uruguay donde tuvieron el primer microscopio electrónico de Latinoamérica gracias a una ayuda económica de la Fundación Rockefeller. Allí estuvo De Robertis hasta 1957, año en el que se incorpora a la Universidad de Buenos Aires como Profesor de Histología y Director del instituto de Biología Celular que hoy lleva su nombre. Argentina había tenido un desarrollo científico de primer nivel de la que la mejor muestra son premios Nobel como Bernardo Houssay o Luis Leloir y más tardíamente Cesar Milstein.

A finales de 1947 De Robertis identifica los microtúbulos con microscopia electrónica en axones desprovistos de mielina. En la actualidad sabemos que los microtúbulos constituyen un elemento fundamental del citoesqueleto con una participación imprescindible en procesos celulares como la división, la polaridad, la plasticidad neuronal, la exocitosis o el trasporte axonal. Pocos años después, Eduardo de Robertis realiza, junto a Bennet, el que fue, en sus propias palabras, su descubrimiento más importante: las vesículas sinápticas existentes en los terminales presinápticos. Quizá no fue muy reconocido porque aunque él dio más información, ya habían sido mencionadas el año anterior por Palay y, además, De Robertis estudió las neuronas de ranas y lombrices, que no son los organismos más populares entre los científicos. Aún así, este hallazgo conecta el almacenamiento de los neurotransmisores y la transmisión del impulso nervioso, hecho que refrendará años más tarde al conseguir aislar dichas vesículas y al identificar asimismo las características que presentan algunos receptores sinápticos. MorckSweden-1523-Nerve-NobelPhys-Med-11-29-84F1330-UFrank_zpse6ea0f44En 1970 el comité Nobel concedió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología a Bernard Katz, Ulf von Euler y Julius Axelrod por sus descubrimientos sobre los neurotrasmisores en las terminaciones nerviosas y sus mecanismos de almacenamiento, liberación e inactivación. Para algunos, habría estado justificado que De Robertis hubiera sido otro los premiados, algo que no sucedió y que algunos achacan a motivos políticos ¾Argentina se había ido hundiendo en una espiral de degradación social y política¾ y a cierto desprecio del mundo anglosajón por la ciencia que habla español. A veces pienso que es puro nacionalismo y ganas de esconder nuestras vergüenzas pero casos como los de Salvador Moncada y Jorge Luis Borges hacen pensar que el Nobel no siempre es juego limpio o no siempre es justo.

 

Para leer más:

  • Campos Muñoz A (2013) Eduardo de Robertis. En el centenario de su nacimiento (1913-2013). Actual Med 98(790): 167-170.
  • Shepherd GM (2010) Creating Modern Neuroscience. The Revolutionary 1950s. Oxford University Press, Oxford.
  • http://news.harvard.edu/gazette/2006/04.06/22-mm.html