“Trucos” cuánticos para escanear el cerebro – APS Physics Magazine

Analía Zwick y Gonzalo Álvarez tienen como objetivo extraer más detalles de las imágenes médicas mediante el uso de herramientas diseñadas originalmente para proteger la información cuántica.

Hace veinte años, se descubrió cómo detectar las primeras etapas de un derrame cerebral utilizando una técnica de imágenes llamada resonancia magnética de difusión (dMRI). Hoy, los expertos en información cuántica Analia Zwick y Gonzalo Álvarez, del Centro Atómico Bariloche (CAB – CNEA) de Argentina, están utilizando sus habilidades para extraer más información de cada píxel de un escáner dMRI. Aunque su investigación aún está en la etapa experimental, esperan que pueda conducir a diagnósticos más tempranos de enfermedades que afectan el cerebro, como el Alzheimer.

Los dos físicos, que están casados, comenzaron sus carreras buscando formas de proteger los espines atómicos y los delicados sistemas cuánticos de su entorno. La técnica dMRI que están desarrollando cambia esa idea y utiliza los espines nucleares de las moléculas de agua como sensores cuánticos del cuerpo.

Zwick y Álvarez regresaron recientemente a la Argentina para establecer un laboratorio en el CAB, un campus de investigación en la pintoresca región lacustre de la Patagonia. Orgullosamente poseen el imán más fuerte de Sudamérica para imágenes médicas preclínicas, y son parte de un esfuerzo nacional para unir la física y la medicina. En esta entrevista, explicaron cómo están empujando los límites de la sensibilidad de la resonancia magnética y por qué plantar raíces en su país de origen siempre fue su objetivo.

Estás utilizando “trucos” cuánticos para mejorar la dMRI. Antes de llegar a eso, ¿podría explicar cómo funciona la dMRI convencional?

Gonzalo: La técnica de dMRI es sensible al movimiento de las moléculas de agua en el cuerpo. Las partes más brillantes de la imagen corresponden a moléculas que se mueven menos durante un escaneo. Las moléculas se mueven por difusión, y este movimiento depende del tipo de tejido en el que se encuentran las moléculas o si están restringidas, por ejemplo, por las paredes celulares.

¿Cómo se ven estos movimientos?

Analía: En una dMRI convencional, sometemos la muestra a dos pulsos de campo magnético separados en el tiempo. El primer pulso aplica un gradiente de campo y hace que los espines de las moléculas de agua de la muestra precesen a una velocidad que depende de dónde se encuentran en la muestra. El segundo pulso invierte el gradiente y las precesiones. Si las moléculas no se han movido, retornan a donde comenzaron.

Cada espín de precesando actúa como un “corredor” que corre alrededor de una pista. El primer pulso de campo hace que el corredor corra en una dirección a lo largo de su recorrido; el segundo pulso le pide que regrese. Pero el corredor solo volverá a su posición inicial si permanece en su pista original, es decir, si la molécula no se ha movido en la muestra. La señal que medimos depende del número de espines que vuelven a su posición inicial. A partir de esa señal, podemos inferir cuánto se mueven las moléculas.

¿Por qué quieren mejorar la técnica?

Gonzalo: El problema con la dMRI convencional es que no te dice por qué las moléculas se mueven rápida o lentamente. Para obtener esta sensibilidad, nuestro grupo y algunos otros utilizan las llamadas técnicas de “control cuántico” que fueron diseñadas originalmente para proteger la información cuántica.

¿Cómo se pliega en este “control”?

Analía: Jugamos con las instrucciones que damos a los espines. Entonces, por ejemplo, cambiamos cuándo deben avanzar o retroceder, o con qué frecuencia deben repetir estos pasos. Las instrucciones están diseñadas para que podamos extraer la mayor cantidad de información posible sobre por qué ciertos espines no vuelven a donde comenzaron.

¿Qué se podría estudiar esta técnica mejorada?

Gonzalo: Ya podemos medir los diámetros de las células y la distribución de estos diámetros. Los tamaños de las células cerebrales, por ejemplo, cambian según su función o su salud. Pero los cambios son tan leves que, por lo general, solo pueden verse tomando una rebanada del cerebro y colocándola bajo un microscopio. Creemos que nuestras técnicas mejoradas permitirán medir los cambios celulares dentro del paciente y de manera no invasiva.

Analía: la información cuantitativa de las imágenes de la dMRI podría ayudar en la detección temprana de algunas enfermedades. Por ejemplo, los axones del cerebro están cubiertos por una capa de mielina, como el cable eléctrico está recubierto de plástico. En la enfermedad de Alzheimer, la mielina se daña. Ver signos de este daño podría permitir un diagnóstico más temprano de la enfermedad.

Ambos provienen de la física fundamental. ¿Qué los inspiró a cambiar de marcha y enfocarse en aplicaciones médicas?

Gonzalo: Cuando era estudiante de doctorado, pensé que la física consistía en responder la pregunta “¿Por qué está sucediendo esto?” Pero luego trabajé en el Instituto Weizmann con Lucio Frydman, un destacado científico de RMN. Siempre trata de ver cómo puede hacer algo útil. Me di cuenta de que los científicos no solo necesitan responder preguntas que comienzan con “Por qué” sino también aquellas que comienzan con “Para qué”.

Analía: A la gente le gusta decir que ahora estamos en la segunda revolución cuántica, donde tratamos de controlar y manipular la información cuántica para aplicaciones útiles, como sensores de escala molecular o nanométrica. Comenzamos a hacer exactamente eso durante nuestros posdoctorados en el extranjero, y luego tuvimos la oportunidad de regresar a Argentina y establecer un laboratorio en un nuevo departamento de física médica.

Gonzalo: Esta oportunidad fue la frutilla del postre, como decimos en Argentina.

¿Cómo fue el regreso a su país?

Gonzalo: Siempre tuvimos la intención de volver. Queríamos ir al extranjero, aprender algunas cosas y luego regresar a Argentina y ayudar a desarrollar el país. Hay mucho trabajo por hacer: no solo estamos haciendo nuestra investigación, sino que también estamos ayudando a desarrollar instituciones y la forma en que se hace la ciencia en Argentina. Esta combinación es desafiante, porque tenes que hacer muchas cosas al mismo tiempo y seguir siendo competitivo en la investigación. Pero es muy motivador ayudar a desarrollar a tu país y ayudar a crear un nuevo camino para la generación futura.

Por Jessica Thomas