Sus estudios sobre el funcionamiento de los neurotransmisores en el cerebro la convierten en una de las neurocientíficas más relevantes del siglo XX, cuyos trabajos supusieron la base, entre otras cosas, de las terapias modernas de los fármacos antidepresivos.
Siendo hija de dos de los anatomistas más importantes de Alemania, Cécile y Oskar Vogt, no resulta extraño su interés por la ciencia, así como el de su hermana pequeña, la bióloga molecular y viróloga Marguerite Vogt.
Como anécdota, fueron Cécile y Oskar Vogt quienes al hacer un examen post mortem del cerebro de Lenin afirmaron encontrar células piramidales inusualmente grandes, un signo, a su juicio, de funciones mentales superiores.
Siguiendo los pasos de sus padres, Marthe estudió medicina y química en la Universidad de Berlín, donde se doctoró tras su trabajo sobre la anatomía del cerebro. Posteriormente también se doctoró en bioquímica (trabajando en el metabolismo de carbohidratos) en el Kaiser Wilhem Institut für Biochemie, bajo la tutela de Carl Neuberg, padre de la bioquímica moderna y uno de los científicos más destacados de los años 20 del siglo pasado.
Desde muy joven se ganó una gran reputación en el campo de la farmacología y endocrinología. Con tan solo 28 años (1931), y solamente dos años después de entrar a trabajar en el grupo de Paul Trendelenburg en el Instituto de Farmacología de Berlín, fue nombrada jefa de la división de química en el Instituto de la Ciencia del Cerebro, centrando su investigación en los efectos de varios tipos de drogas en el sistema nervioso central.
Como tantos otros científicos (entre ellos la farmacóloga Edith Bülbring, con quién había coincidido en 1929), con la llegada de Hitler al poder en 1933 se convenció de que debía marcharse para no ver comprometida su carrera investigadora. Formaba parte de ese grupo extraordinario de científicos -a menudo llamados “regalo de Hitler”-, que pese a no tener origen judío y, en principio, no temer por su vida, se marcharon de Alemania porque detestaban el nazismo.
Gracias a una beca de la Fundación Rockefeller pudo viajar a Inglaterra y se unió al grupo de investigación del fisiólogo inglés Sir Henry Dale, donde pudo publicar un trabajo sobre la liberación de acetilcolina en las terminaciones nerviosas motoras voluntarias, trabajo que contribuyó a que Henry Dale fuese galardonado con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1936.
A finales de 1935 se marchó a trabajar a Cambridge, donde se le concedió un doctorado honorario en farmacología y fisiología tres años después. Nunca se planteó volver a Alemania pese a que en las condiciones de su beca así lo establecía. Por ello, su jefe en Cambridge, E. B. Verney, le consiguió otra beca para que pudiese continuar con sus estudios.
Al estallar la Segunda Guerra Mundial en 1939 su nacionalidad alemana la pone en el punto de mira de los servicios secretos británicos, ya que al tener un puesto permanente en Alemania el gobierno de Hitler no renunciaría a ella tan fácilmente. De hecho, Marthe envió su renuncia pero las autoridades alemanas no la aceptaron. Esto la convirtió en enemigo extranjero de categoría A para las autoridades británicas. Es juzgada y condenada al internamiento, pero gracias a la intercesión de sus colegas y amigos (principalmente a E. B. Verney y a Sir Henry Dale) se le concede la libertad y puede seguir con sus investigaciones sobre hipertensión y la función de la glándula suprarrenal en Cambridge hasta 1946.
En 1947 obtiene la plaza de profesora de Farmacología de la Universidad de Edinburgo, donde siguió investigando con neurotransmisores como la serotonina y la reserpina. De hecho, es en esta época cuando publica el trabajo Acetylcholine synthesis in different regions of the central nervous system junto al fisiólogo alemán William Feldberg y que supuso la primera evidencia de la acetilcolina como neurotranmisor, poniendo de manifiesto la distribución de los sistemas colinérgicos en el cerebro.
Desde 1949 dividió su tiempo y su trabajo como profesora visitante en la Universidad de Columbia, Cambridge, Londres y Edimburgo, trasladándose definitivamente en 1968 a Cambridge como jefa de la Unidad de Farmacología del Instituto Babrahan.
Es elegida miembro de la Royal Society en 1952, una distinción de la que solamente habían podido disfrutar con anterioridad otras ocho mujeres y en 1954 publica sus resultados más interesantes, según los cuales demuestra la distribución heterogénea de la adrenalina y noradrenalina en el cerebro y el posible papel de estas como neurotransmisores entre las células del cerebro. Estos trabajos sentaron las bases del tratamiento farmacológico de las enfermedades mentales.
En 1988 se retira y marcha a La Jolla (California) a vivir con su hermana Marguerite, donde murió en 2003, a la nada despreciable edad de 100 años, mientras que Marguerite murió en 2007, con 94, ambas con una larga y fructífera carrera científica.
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