miércoles, 31 de diciembre de 2014

De fantasmas y alucinaciones

Un Robot que te hace sentir como si un fantasma estuviera cerca


En 2006, el neurocientífico cognitivo Olaf Blanke, de la Universidad de Ginebra en Suiza, estaba probando las funciones del cerebro de una paciente, antes de operarla para mejorar su epilepsia, cuando notó algo extraño. Cada vez que estimulaba eléctricamente la región de su cerebro, responsable de la integración de diferentes señales sensoriales del cuerpo, la paciente miraba hacia atrás como si una persona estuviera allí, incluso cuando ella sabía muy bien que no había nadie realmente presente.

Ahora, con la ayuda de robots, Blanke y sus colegas no sólo han encontrado una explicación neurológica de esta ilusión, sino que también han conseguido que gente sana detecte "fantasmas" según se informa hoy en Current Biology. El estudio podría ayudar a explicar por qué los pacientes con esquizofrenia a veces sufren alucinaciones de que sus movimientos son controlados por aliens.

http://bcove.me/dsy1psh1

"Es muy difícil tratar de entender los mecanismos implicados en algo tan extraño", dice el neurocientífico cognitivo Henrik Ehrsson, del Instituto Karolinska en Estocolmo, que no participó en el estudio. "Es muy alentador, muy impresionante, la forma en que este equipo está haciendo ciencia de esta cuestión."

Los fantasmas y las apariciones son un tema común en la literatura y la religión. En la vida real, los pacientes que sufren de esquizofrenia o epilepsia a veces parecen detectar una presencia cercana a ellos. Después de estudiar estos casos, Blanke dice que encontró algunas sorprendentes similitudes en la forma en la que los pacientes con epilepsia perciben estas misteriosas "apariciones". Casi todos los pacientes dijeron que la presencia se sentía como un ser humano situado justo detrás de la espalda, casi tocándolos, con intenciones maliciosas. Los pacientes con daño cerebral en el hemisferio izquierdo sintieron el fantasma en su lado derecho, y viceversa.

Para identificar las regiones del cerebro responsables de tales ilusiones, Blanke y sus colegas compararon el daño cerebral en dos grupos de pacientes. En el primer grupo, en su mayoría pacientes con epilepsia, todos dijeron sentir presencias fantasmales cerca de ellos. El otro grupo con una gravedad similar en sus enfermedades neurológicas y alucinaciones, no percibían ninguna presencia fantasmal. Las imágenes cerebrales revelaron que los pacientes que sintieron los "fantasmas" tenían lesiones en su corteza frontoparietal, una región del cerebro que controla los movimientos e integra señales sensoriomotoras del cuerpo, -tales como la del golpe y el dolor que acompaña a un puñetazo- en una imagen coherente.

Los investigadores sospechaban que los daños en esta región podrían haber alterado la forma en que el cerebro integra varias señales sensoriales y motoras para crear una representación coherente del cuerpo. Eso puede haber llevado a los pacientes a sentir erróneamente que estaba siendo tocados por alguien distinto de ellos mismos.

Así que el equipo construyó un robot para probar su teoría en personas sanas. La máquina consistía en dos brazos robóticos eléctricamente interconectados colocados delante y detrás de un participante, respectivamente. El brazo más pequeño en frente tenía una ranura en la que los participantes podían insertar su dedo índice derecho y moverlo dentro. Este movimiento provocaba que el brazo más grande situado a su espalda tocara en  diferentes posiciones en la espalda de los participantes, siguiendo el movimiento de su dedo. Durante los experimentos, los participantes llevaban los ojos vendados y auriculares para que se concentraran en lo que sentían. Se les dijo que sólo el robot les estaba tocando en la espalda, pero sin saberlo ellos, el toque en la espalda  a veces se sincronizaba con sus movimientos de los dedos, y a veces, se retrasaba medio segundo.

Cuando los participantes hablaron de cómo se sentían, un patrón claro surgió. Si el toque en la espalda estaba en sintonía con los movimientos de los dedos de los participantes, se sentían como si estuvieran tocando la espalda con su propio dedo. Pero cuando el toque en la espalda estaba fuera de sincronía, un tercio de los participantes sintió como si alguien les estuviera tocando. La sensación fue tan espeluznante que dos participantes les pidieron a los investigadores  detener el experimento.

Para verificar los resultados, los investigadores llevaron a cabo otro estudio en el que cuatro investigadores estaban en la habitación. A los participantes se les dijo que mientras estuvieran operando la máquina con los ojos vendados, algunos investigadores podrían acercarse a ellos sin llegar a tocarlos. Los investigadores les dijeron a los participantes que estimaran el número de personas que estaban cerca de ellos a intervalos regulares. En realidad, ningún investigador nunca se acercó a los participantes. Sin embargo, las personas que experimentaron un toque retardado sobre su espalda  sentían con más fuerza que otras personas estaban cerca de ellos, contando hasta cuatro personas cuando realmente no existía ninguna.

Los investigadores sospechan que cuando los participantes movían el dedo en la ranura del aparato, sus cerebros esperaban  sentir un toque en la parte posterior de inmediato. El retraso generaba un desajuste entre las expectativas del cerebro y las señales sensoriales reales que recibían, lo que alteraba la forma en que el cerebro integra las señales para crear una representación del cuerpo, y por lo tanto creaba la ilusión de que otro ser humano estaba tocándolos.

Los hallazgos podrían ayudar a los científicos a entender las alucinaciones de los pacientes con esquizofrenia, dice Blanke. Los científicos siempre han planteado la hipótesis de que los pacientes escuchan voces extrañas o sienten que no controlan su propio cuerpo porque sus cerebros no pueden integrar las señales corporales correctamente.

Los investigadores ahora están construyendo un sistema de robot equipado con imágenes de resonancia magnética MRI para estudiar lo que sucede exactamente en los cerebros de las personas sanas cuando sienten una presencia fantasmal y para estudiar cómo reaccionarían a los toques desajustados los pacientes con esquizofrenia.

Basado en:  Blanke O (2012) Multisensory brain mechanisms of bodily self-consciousness. Nature Reviews Neuroscience13: 556-571.

domingo, 21 de diciembre de 2014

Vamos a la caza del Claustrum




El Claustrum es “una fina e irregular lámina de neuronas” responsable de las interacciones entre los hemisferios del cerebro.


por Peggy Mason

traducción: Ana Toral

Del Blog The brain is sooooo cool!






Una imagen de un cerebro humano con cortes
 en el plano horizontal (bueno, casi horizontal).



Pelando la corteza cerebral


En esta edición de Vídeos de laboratorio, estudiaremos los cortes horizontales a través del cerebro humano. Al seccionar a través del cerebro, podremos ver todo el territorio interesante que normalmente se oculta por la corteza o córtex (sí, la palabra cortex deriva de la palabra latina para la corteza del árbol) del cerebro.

Si desea simplemente ver el vídeo, aquí está:



http://videos.videopress.com/4i6rdY06/2_-mason-10-14-2014-peggy-mason-edit-large-540p_fmt1.ogv

Si quiere profundizar en las estructuras analizadas en el video, continúe leyendo. Y, por supuesto, no dude en ir adelante o atras.


Una introducción a las direcciones y planos en los seres humanos vs cuadrúpedos


Si ya conoce los planos corporales y direcciones, pase directamente a los hemisferios cerebrales.

Cuando cortamos el cerebro, podemos hacerlo en cualquier plano. Los tres planos normalizados del cuerpo son coronal, horizontal (aka axial en términos de imágenes clínicas), y sagital.

. El plano coronal es el plano de una tiara y separa las regiones de la parte anterior de las regiones en la parte posterior.

. El plano horizontal es el plano del horizonte (en un individuo en posición vertical). Separa la parte superior de la parte inferior.

. El plano sagital es el plano de un peinado mohawk. El plano sagital en el centro de la cabeza, llamado sagital medial, separa izquierda y derecha.
Un par de notas sobre nomenclatura direccional que pueden ser de interés para los aficionados. 

Considere los cuatro pares:

Rostral - Caudal: hacia el hocico (rostrum en realidad deriva de la palabra latina rodere, roer, que se utiliza para referirse a los roedores en general y la parte delantera de los roedores más específicamente) o cola (cauda).

Anterior - Posterior: hacia el frente (ante o antes), o la parte de atrás (posterus o posterior)

Dorsal - Ventral: hacia la espalda (dorso o espalda) o el envés (ventrum)

Medial - lateral: cercana o lejana a la línea media, respectivamente

Estos términos tienen el mismo significado en todas las partes del sistema nervioso en prácticamente todos los animales. Pero los seres humanos, junto con algunos otros, como los canguros, son diferentes debido al giro a la derecha que el sistema nervioso tomó en apoyo del bipedismo. En cuadrúpedos, la parte inferior del cuerpo y de la cara están en planos paralelos, pero en bípedos, la parte inferior del cuerpo está en un plano vertical y la mandíbula inferior en un plano horizontal.

¿Por qué seguir hablando de esto? Bueno, pensar en el contraste entre una rata y un humano. En la rata, el plano coronal es transversal (u ortogonal) con respecto al eje del sistema nervioso central, en todos los niveles. Además, rostral y anterior son sinónimos tal como lo son caudal y posterior, y estas equivalencias son válidas en todo el sistema nervioso central. Ahora considere un ser humano. Para la médula espinal de un ser humano, nuestro envés está en el frente y la espalda está en la parte posterior del cuerpo. Por lo tanto, para la médula espinal humana, ventral es anterior y dorsal es posterior. Esta diferencia bípedo-cuadrúpedo tiene implicaciones lingüísticas porque los médicos  emplean la terminología anterior-posterior para la médula espinal y los científicos emplean la terminología dorsal-ventral. Así columna dorsal o posterior y cuernos ventrales o anteriores son versiones de lo mismo, según hable un clínico o un científico.

Las rodajas sagitales son muy divertidas de ver, muy informativas y también todo un reto particularmente para el principiante en neuroanatomía. Las rodajas coronales son la vista más comúnmente presentada y estudiaremos el cerebro en cortes coronales en un futuro video lab. Elegí comenzar con cortes horizontales, ya que son a la vez desafiantes y accesibles. Espero que, con un poco de ayuda de mi parte, puedan utilizar este tour de secciones horizontales para sintetizar su comprensión de 3 dimensiones de la anatomía del cerebro. Así que vamos a empezar.



Los dos hemisferios cerebrales




Una vista de arriba hacia abajo del cerebro humano muestra
 los dos hemisferios cerebrales que no están unidos,
 excepto en el cuerpo calloso, que sólo está presente
 en el margen ventral de los hemisferios mediales.


Vamos a examinar cortes horizontales del cerebro a partir de la parte superior y trabajando hacia la parte inferior. La primera cosa que se puede notar es que los dos hemisferios cerebrales aparecen como dos piezas separadas; que no están unidos. De hecho, los hemisferios cerebrales sólo aparecen unidos más ventralmente, por el cuerpo calloso. En las secciones horizontales a través del cuerpo calloso, los axones circulan en paralelo, de izquierda a derecha y de derecha a izquierda, y son evidentes incluso a simple vista. Impresionante, ¿no te parece?


Somos animales visuales


La corteza cerebral, evidente como una costra externa de  materia gris, tiene un patrón modular con diferentes campos corticales fundamentalmente asociados con diferentes funciones. Esta modularidad es más evidente en las grandes cortezas primarias somatosensoriales, auditivas, visuales y motoras. Las cortezas sensoriales primarias son necesarias pero no suficientes para la percepción normal. Así, la información visual llega de la retina a la corteza visual primaria, tras su conversión por el tálamo, y soporta la percepción visual. Muchos mamíferos, incluidos los humanos, son animales altamente visuales, lo que significa que la visión es la modalidad sensorial primaria utilizada para navegar por el mundo. En correspondencia con esto, el tracto de los axones que llevan la información visual a la corteza visual primaria (desde el tálamo) es tan grande que se ve fácilmente sin aumento. Este trazado se llama radiación óptica.

El destino de la radiación óptica es la corteza visual primaria, también llamada V1, que está presente a lo largo de la fisura calcarina (también denominado el surco calcarino), que adorna la superficie medial del lóbulo occipital. En la corteza de V1, hay una delgada línea blanca llamada la raya (o estría o línea) de Gennari. Esta raya, visible a simple vista, fue descubierta en 1776 por un estudiante de medicina italiano, Francesco Gennari, de quien toma su nombre en gloriosa perpetuidad. Ver esta franja usando las herramientas más simples - mis ojos, un cuchillo y un cerebro sin teñir - me conecta con los grandes anatomistas de antaño y me da una enorme patada. Tomen nota, todos ustedes estudiantes: todavía hay oportunidades para descubrimientos de baja tecnología. Sean inteligentes y estén atentos!






El surco calcarino está marcado por una línea roja discontinua
 en esta imagen de la superficie medial de la corteza.
 El banco superior de la corteza visual lleva información
sobre la mitad inferior del mundo visual contralateral 
(el otro lado)  y el banco inferior de la corteza visual
 lleva información sobre la mitad superior
 del mundo visual contralateral.



El UChicago C o cuerno de carnero


Cuando el telencéfalo en desarrollo (ver más abajo) se invagina a lo largo de la línea media para formar dos hemisferios, el lumen del tubo neural en desarrollo se divide en dos espacios que se convertirán en los ventrículos laterales adultos.

Sólo como información adicional: El término telencéfalo se refiere a la parte delantera del cerebro anterior. El cerebro anterior se deriva de una hinchazón o vesícula llamado el prosencéfalo. Pocos días después de su formación, el prosencéfalo se divide en dos vesículas hijas: el telencéfalo y el diencéfalo. El telencéfalo se convertirá en los cortes cerebrales, los componentes básicos de los ganglios basales (es decir, el cuerpo estriado y pallidum), y la amígdala (oh y el claustrum también ...). El diencéfalo se convertirá en el tálamo y el hipotálamo.

Así como los hemisferios cerebrales se expanden para acomodar mas corteza, los ventrículos laterales se expanden en paralelo. El hemisferio se expande arqueandose alrededor en forma de cuerno de carnero. Y también lo hacen los ventrículos laterales. En este video de laboratorio, empezamos cortando un trozo de la parte superior de cuerno de carnero. Así que nuestra primera vista del ventrículo es uno de "mirando el techo." A lo largo del borde de los ventrículos laterales, el plexo coroideo está presente. El Plexo coroideo filtra la sangre en el líquido cefalorraquídeo o LCR que llena los ventrículos y luego se filtra para llenar el espacio subaracnoideo que rodea el cerebro y la médula espinal. Doy las gracias a mi almohada de LCR cada día por salvarme de golpear mi cerebro cuando me dedico a  mi trabajo diario.

Del mismo modo que los ventrículos laterales siguen en forma de cuerno de carnero, también lo hace el caudado. El caudado es una parte fundamental de los ganglios basales. Junto con el putamen, el caudado forma el estriado. El caudado extiende sus alas alrededor de los ventrículos laterales y se compone de una cabeza más hacia delante, un cuerpo de tamaño considerable, y luego una cola disminuyendo dentro del lóbulo temporal.

A medida que nos sumergimos más profundamente en el interior del telencéfalo, vemos el putamen del que el caudado está separado por la cápsula interna. La cápsula interna contiene axones procedentes de la corteza cerebral destinados para el tronco cerebral y la médula espinal. Durante el desarrollo, la cápsula interna divide el caudado de su gemelo, el putamen, y ambos se derivan de las eminencias ganglionares en la base del telencéfalo en desarrollo. El término ganglios basales deriva del origen embrionario del cuerpo estriado (y globus pallidus) desde las eminencias ganglionares basales.


El diencéfalo 


El diencéfalo, que contiene el tálamo y el hipotálamo, me parece que esta como  encogido frente al fanfarrón del expansivo telencéfalo que aparece siempre a la búsqueda de nuevos territorios. Mamífero a mamífero, y vertebrado a vertebrado, el diencéfalo mantiene su tamaño modesto. Admiro al tálamo para llevar a cabo sus tareas con un parsimonioso uso  de espacio.

La forma más fácil de saber que  estamos mirando el diencéfalo es buscar la materia gris que rodea el tercer ventrículo. El tercer ventrículo es fácil de detectar ya que es una ranura orientada verticalmente en la línea media. Posiblemente, ningún otro espacio ventricular podría ser confundido con el tercer ventrículo:

. Los ventrículos laterales no son rendijas y no están en la línea media

. El acueducto cerebral es un agujero redondo y no una hendidura

. El cuarto ventrículo es un romboide orientado horizontalmente y no una hendidura





Esta es una sección horizontal a través del tálamo (T). 
En esta imagen, arriba es anterior. 
Muchas otras estructuras también son visibles,
 incluyendo los ventrículos laterales, el plexo coroideo, 
el caudado, la cápsula interna, el cuerpo calloso y más.

La materia gris a cada lado del tercer ventrículo es el tálamo y el hipotálamo. El límite lateral del diencéfalo es la cápsula interna, que es la unión física entre el di- y el tele-encéfalo. En otras palabras, si no fuera por la cápsula interna a cada lado, los hemisferios telencefálicos colgarían, como orejas de perro, de cada lado de la cara diencefálica.





Sólo una excusa desvergonzada para mostrar
 a Bam-Bam con sus orejas colgantes.



La cápsula externa, el claustrum, y la cápsula extrema


El término cápsula interna sugiere la existencia de una cápsula externa y de hecho hay una estructura de este tipo. Externo al putamen hay un tracto blanco delgado llamado la cápsula externa. Y justo fuera de la cápsula externa hay una isla delgada de materia gris llamado el claustrum, de reciente fama (ver más abajo). Por último, intercalado entre el claustrum y la corteza situada superficialmente  hay un tracto de sustancia blanca llamada cápsula extrema.

Recientemente, el claustrum ha sido noticia. Mohamad Koubeissi y sus colegas de la Universidad George Washington estaban estudiando un paciente con epilepsia. Este paciente había sido operado, años atrás, para eliminar un foco epiléptico (el lugar donde se inicia un ataque), pero, por desgracia, estaba experimentando convulsiones de nuevo. Para localizar el foco de los nuevos ataques, los neurocirujanos estimularon el cerebro mientras el paciente permanecía despierto.


La neurocirugía se realiza típicamente en pacientes despiertos para que las regiones perturbadoras puedan ser identificadas. Los pacientes pueden comunicar sensaciones o  necesidades de movimiento que son producidos por la estimulación. Lo más importante, a los pacientes se les pide que hablen para poder identificar las regiones donde la estimulación provoque una alteración en el habla. De esta manera, los neurocirujanos pueden evitar la eliminación de las áreas involucradas en el habla.

Por casualidad, los neurocirujanos estimularon en el claustrum. Publicaron que la estimulación "provocó  el deterioro inmediato de la conciencia, en 10 de 10 ocasiones, con la detención de la lectura, la aparición de ojos en blanco, la falta de respuesta a las ordenes auditivas o visuales, y la ralentización de los movimientos respiratorios espontáneos. El paciente regresó a su estado normal en cuanto la estimulación se detuvo, sin ningún recuerdo de los acontecimientos durante el periodo de estimulación "(Koubeissi et al 2014: Epilepsia y Comportamiento 37: 32-35). Llegaron a la conclusión de que "el claustrum - una región en la que los efectos de los estímulos eléctricos nunca se habían estudiado en el ser humano, que sepamos - podría ser un componente clave de la red que soporta la 'conciencia'". Este es el único informe de este hallazgo y está por verse si se acepta la interpretación de los autores de que el claustrum es "el interruptor de encendido y apagado de la conciencia”


El hipocampo


El hipocampo es una región de la corteza cerebral de tres capas. Aprendimos, por la famosa paciente HM, que el hipocampo es necesario para la formación de recuerdos explícitos. El  hipocampo se enrosca alrededor de la pared medial del telencéfalo y se desarrolla en el lóbulo temporal donde casi bordea el ventrículo lateral. Sin embargo, la corteza del hipocampo está separada del ventrículo por un delgado tracto de materia blanca llamado la fimbria. La fimbria crece en un tracto de materia blanca más grande llamado el fórnix (el fondo del saco). La fimbria-fórnix sigue el arco del ventrículo lateral, conectando el hipocampo con el tálamo medial y los cuerpos mamilares. Podemos ver el fondo el fórnix alrededor de los ventrículos laterales en la anterior imagen del tálamo.


Conclusión


Me he alargado demasiado y probablemente nadie habrá llegado realmente a este final. Pedimos disculpas por eso. Me parece estar en un modo tangencial de pensar y de escribir, con tendencia a tomar vías laterales sobre cada término neuroanatómico que estimula mi  imaginación. Y a decir verdad, no puedo pensar en un término neuroanatómico que no me produzca sentimientos. En cualquier caso, si quieres una rápida revisión de las estructuras, por favor ve este vídeo de corta duración:

http://videos.videopress.com/rPL7tR9U/4_-mason-10-14-2014-peggy-mason-edit-large-540p_fmt1.ogv



viernes, 4 de julio de 2014

¿Por qué todavía desarrollamos fármacos para el cerebro?




El estigma social que rodea a la industria farmacéutica últimamente ha empeorado. El negocio de salvar vidas ahora se valora positivamente sólo por el 32% del público, ninguneado entre el petróleo y la banca en las encuestas de confianza de los consumidores. Ha bajado ocho posiciones desde 1996. Sin insistir demasiado en las razones de la caída  del estatus social de la industria farmacéutica, se puede sentir el escepticismo innegable que rodea a las intenciones de la industria, y más lamentablemente, la eficacia de sus medicamentos.

Sería amargamente injusto estar de acuerdo con los duros críticos de las farmacéuticas en que los fármacos simplemente no funcionan. Después de todo, los antibióticos, antirretrovírales, quimioterapeúticos y fármacos para las enfermedades del corazón dan fe de todo lo contrario. El pronóstico de supervivencia para las infecciones, la aterosclerosis o incluso el cáncer es tan grande hoy en día, que más de un 95% personas llegan a la edad de 80 años respecto a un siglo atrás.

Pero con poblaciones que viven más años, vienen las enfermedades de la vejez, y el paisaje terapéutico comienza a cambiar dramáticamente hacia enfermedades como la demencia, el Alzheimer y el Parkinson, y las enfermedades que  han sido deficientemente tratadas, como la esquizofrenia, el trastorno bipolar y la depresión.


Fármacos cerebrales: 50 años después, todavía no se puede saber cómo funcionan 


Tenga en cuenta que el denominador común de todos los trastornos "modernos" es que son todos enfermedades del cerebro. Estas enfermedades tienen una carga económica de más de 2 billones de dólares en los EE.UU. y la UE y suponen más de 80.000 millones al año para la industria farmacéutica.

Pero casi todos los medicamentos del cerebro han surgido por casualidad - a través de la observación de que ciertos productos químicos mejoraron ciertos síntomas, en lugar de a través de la investigación de la enfermedad concreta-. Una abrumadora mayoría de Thorazines, Valium, Prozacs y Xanaxes actuales todavía se caracterizan por mecanismos de acción ampliamente desconocidos 60 años después de su debut en el mercado. Aún más alarmante es que en los últimos ensayos clínicos con Prozac y Xanax, a estos fármacos les fue apenas mejor que el placebo.

¿Están las  Grandes Farmacológicas  rehuyendo los fármacos para el Sistema Nervioso Central (SNC)?
Como el cerebro se conoce todavía tan poco, las grandes farmacéuticas están fallando en el desarrollo de productos farmacéuticos que actúen sobre el sistema nervioso central (SNC). Después de una serie de fallos muy fuertes y dolorosos en ensayos clínicos en el SNC en los últimos años, GSK, AstraZeneca y Novartis han anunciado los cierres totales de la división de neurociencia a nivel mundial. Mientras tanto Pfizer, Sanofi, Janssen y Merck han comenzado a reducir su tamaño significativamente.

Pocos permanecen en la carrera. ¿Y quién puede culparlos, cuando el desarrollo de fármacos del SNC puede costar miles de millones más que los de cualquier otra área terapéutica, y sin embargo, tienen una probabilidad de fracaso de un 45% más alto que los fármacos dirigidos a otros trastornos?

La electricidad y la química gobiernan el cerebro en la misma medida 


La complejidad del cerebro no tiene rival. La intrincada red de conexiones neuronales (el "conectoma"), el entorno molecular densamente poblado, y  el comportamiento eléctrico de las células cerebrales, además de las vastas genómica y metabolómica individuales de cualquier cerebro dado son difíciles de ponderar incluso en una sola frase. A diferencia del sistema nervioso periférico, donde las moléculas gobiernan los tejidos, el sistema nervioso central está gobernado tanto por los patrones binarios de estimulación eléctrica como por las moléculas de neurotransmisores cerebrales que transportan mensajes por todo el cuerpo.

Y este es el punto crucial: los productos químicos y la electricidad comparten en un 50:50 la responsabilidad en el cerebro. Un neurotransmisor químico entre dos neuronas provocará una detonación eléctrica en las  siguientes neuronas, enviando un mensaje hacia adelante, pero la estimulación eléctrica de la primera neurona  provocará exactamente lo mismo, aunque sin daños colaterales a las neuronas del entorno (los neurotransmisores se propagan de forma multidireccional,  mientras que la electricidad no lo hace).

El futuro es eléctrico 


Los científicos han sabido de la eficacia de la terapia cerebral neuro-eléctrica durante décadas, y muchos de estos sistemas ya están en uso hoy en día. La Estimulación Magnética Transcraneal profunda (Deep TMS), por ejemplo, es una nueva terapia no invasiva, aprobada por la FDA, que se ha encontrado eficaz, por ahora, para el tratamiento de la enfermedad de Parkinson, la depresión, el dolor crónico y la esquizofrenia.
La TMS profunda implica la activación magneto-eléctrica de regiones profundas (hasta 7 cm) en el cerebro. La estimulación se puede aplicar a prácticamente cualquier coordenada 3D del cerebro. Así, cuanto más conocemos del  mapa del cerebro, más útil se vuelve  el tratamiento.

Los amantes de la píldora no deben desalentarse por la perspectiva de un futuro eléctrico, tampoco. Un mapeo cerebral meticuloso y los avances en los sistemas de administración de fármacos  podrían culminar potencialmente en el nacimiento de un fármaco altamente lucrativo - el electrocéutical - o, dicho más claramente, la electricidad en una píldora.

Los Electrocéuticales eventualmente pueden tomar la forma de nano-robots electro-cargados que ingeriremos en una píldora, y que, con precisión militar, suministraría una corriente eléctrica a cualquier coordenada deseada del cerebro. En la era de las electroceuticales, la "contaminación cruzada" química de los tejidos y las áreas del cerebro, junto con los efectos secundarios no deseados y la toxicidad hepática se convertiría en un producto del pasado.

¿Qué tan cerca estamos del futuro eléctrico? 


Un hecho sorprendente es que a menudo la terapia eléctrica es ya muy ampliamente utilizada en el hospital, incluso en lo que se consideraría entornos quirúrgicos tradicionales. De acuerdo con Itzhak Fried - neurocirujano líder de Israel, famoso por su cirugía de separación de los gemelos siameses que compartían literalmente un cerebro, de 22 horas de duración- muchos procedimientos realizados en su departamento ya requieren un elemento eléctrico.

En un avance quirúrgico hace dos años, el equipo de Fried implantó pequeños electrodos en el cerebro de un paciente con epilepsia. Los electrodos, parecidos a una grabadora, escucharon y registraron la actividad de las neuronas en un área donde se sospechaba que se generaban convulsiones. La "reproducción" de la actividad celular registrada, dio pistas sobre la ubicación exacta de donde se originaban las convulsiones. Esta resultó ser un área diminuta del cerebro al lado del centro del habla que luego se extirpó de forma segura y con éxito. Sólo un milímetro en la dirección equivocada podría haber hecho que el paciente fuera incapaz de hablar para siempre. ¡Llegó la electricidad!.

Obama piensa que el futuro es eléctrico, además


Y aquí viene por qué toda la charla sobre electricidad no es sólo la clarividencia de cuco. En primer lugar, hay un frenesí sobre el  proyecto cerebro recorriendo el mundo. Proyectos como la "investigación del cerebro mediante la mejora de neurotecnologías innovadoras" (BRAIN), iniciado por el presidente Obama en los EE.UU. The Human Brain Project en Europa y la Israel Brain Technologies están destinadas a la cartografía eléctrica del cerebro. Algunos proyectos de laboratorio han ido tan lejos como para conseguir cerebros de ratón totalmente transparentes o como implantar fibra óptica en los cerebros de ratas.

Un hecho igualmente revelador es la inyección (o la desviación de la investigaciones anteriores sobre el  SNC) de los fondos hacia  la investigación electrocéutical que están realizado las propias grandes farmacéuticas. En agosto de 2013, GSK anunció un fondo de  50 millones de dólares dirigido a patrocinar proyectos "que empiecen a detallar cómo los nervios en el cuerpo están relacionados con determinadas enfermedades, a comprender los patrones de descarga de los nervios, y a explorar nuevas tecnologías que nos permitan interactuar con múltiples fibras nerviosas individuales". Con los departamentos del SNC en proceso de cierre, a los otros jugadores no les queda más remedio que seguir en breve el mismo ejemplo.

Ciertamente, parece que hay una cosa, en la cual los neurocirujanos, los neurólogos y las grandes farmacéuticas finalmente están todos de acuerdo: la neuro-química es tan 2004.


Basado en: http://brainblogger.com/2014/02/11/why-are-we-still-developing-brain-drugs/


lunes, 10 de febrero de 2014

Secretos del cerebro


Las nuevas tecnologías están arrojando luz sobre el  gran misterio sin resolver de la biología : cómo funciona realmente el cerebro.





Van Wedeen acaricia su barba medio gris  y se inclina hacia la pantalla de su ordenador, revisando un bloque de archivos. Estamos sentados en una biblioteca sin ventanas, rodeados de cajas manchadas de viejos papeles, deteriorados ejemplares  de revistas científicas , y un antiguo proyector de diapositivas que nadie ha tenido tiempo de tirar.

" Me tomará un momento localizar  su cerebro" dice .

En un disco duro Wedeen ha almacenado cientos de imágenes en 3-D  exquisitamente detalladas de cerebros de monos, ratas y seres humanos, incluyendo el mío. Wedeen se ha ofrecido a llevarme a un viaje a través de mi propia cabeza.

"Vamos a visitar todos los puntos turísticos " promete, sonriendo.

Este es mi segundo viaje al Centro Martinos de Imágenes Biomédicas, ubicado en una antigua fábrica de cabos marinos en el puerto de Boston. La primera vez, hace unas semanas, me ofrecí como conejillo de indias neurocientifico para Wedeen y sus colegas. En una sala de exploración me acosté en una camilla, la parte de atrás de mi cabeza apoyada en una caja de plástico abierta. Un radiólogo bajó un casco de plástico blanco sobre mi cara. Levanté la vista hacia él a través de dos agujeros para los ojos mientras me atornillaba el justado casco, de modo que las 96 antenas en miniatura que contenía estuvieran lo suficientemente cerca de mi cerebro para recoger las ondas de radio que estaba a punto de emitir. A medida que la camilla se deslizaba en las fauces cilíndricas del escáner, pensé en El Hombre de la Máscara de Hierro.




Los imanes que ahora me rodeaban empezaron a hacer ruido y a crepitar. Durante una hora me quedé inmóvil, con los ojos cerrados, y traté de mantenerme tranquilo con mis propios pensamientos. No fue fácil. Para obtener la mayor resolución posible del escáner, Wedeen y sus colegas habían diseñado el dispositivo con apenas espacio suficiente para que una persona de mi generación cupiera dentro. Para aplacar el pánico, respiré lentamente y me transporté a un lugar en mi memoria, recordando cómo una vez   había llevado caminando a mi hija de nueve años de edad a la escuela, a través de montones de nieve arremolinada.

Cuando estaba allí tendido, reflexioné sobre el hecho de que todos estos pensamientos y emociones eran la creación del pan de carne de kilo y medio que estaba bajo escrutinio: mi miedo , llevado por impulsos eléctricos que convergían en un trozo de tejido de mi cerebro en forma de almendra llamada la amígdala , y la respuesta tranquilizadora a la misma, generada en las regiones de mi corteza frontal. El recuerdo de mi caminata con mi hija estaba coordinado por un pliegue de las neuronas en forma de caballito de mar llamado hipocampo , que reactivaba una vasta red de vínculos a través de mi cerebro, que se habían activado inicialmente cuando había trepado sobre los bancos de nieve, y que formaron esas memorias .

Someterme a este procedimiento forma parte de mi reportaje para reflejar  una de las grandes revoluciones científicas de nuestro tiempo : los impresionantes avances en la comprensión del funcionamiento del cerebro humano . Algunos neurocientíficos están dedicados  a desvelar la estructura fina de las células nerviosas individuales , o neuronas . Otros están trazando la bioquímica del cerebro , examinando cómo nuestros miles de millones de neuronas producen y emplean miles de diferentes tipos de proteínas . Y otros , Wedeen entre ellos, están creando detalladas representaciones sin precedentes del cableado del cerebro : la red de unos 100.000 kilómetros de fibras nerviosas, llamadas materia blanca, que conecta los diversos componentes de la mente , dando lugar a todo lo que pensamos , sentimos, y percibimos . El gobierno de EE.UU. está impulsando esta investigación a través de la Iniciativa  sobre la investigación del cerebro mediante neurotecnologías innovadoras ( BRAIN ) . En un anuncio en la primavera pasada, el presidente Barack Obama dijo que el proyecto en gran escala estaba destinado a acelerar el mapeo de nuestros circuitos neuronales ", dando a los científicos las herramientas que necesitan para obtener una imagen dinámica del cerebro en acción . "





Cuando vean el cerebro en acción , los neurocientíficos también podrán ver sus defectos. Están comenzando a identificar las diferencias en la estructura de los cerebros normales y los cerebros de las personas con trastornos tales como la esquizofrenia , el autismo y la enfermedad de Alzheimer. Cuando se mapee al cerebro con mayor detalle , se podrá aprender a diagnosticar los trastornos por su efecto sobre la anatomía, y tal vez incluso entender cómo surgen esos trastornos.

En mi viaje de regreso a su laboratorio, Wedeen finalmente localizó la imagen de mi sesión en el escáner. Mi cerebro apareció en su pantalla. Su técnica, llamada Imagen de Espectro de Difusión, traduce las señales de radio emitidas por la sustancia blanca en un atlas de alta resolución de este Internet neurológico. Su escáner mapea los haces de fibras nerviosas que forman cientos de miles de caminos que llevan información de una parte de mi cerebro a otra. Wedeen pinta cada ruta en un arco iris de colores, por lo que mi cerebro parece un explosivo envoltorio de colores , como un gato persa psicodélico.

Wedeen se centra  en vías específicas, mostrándome algunos de los circuitos importantes para el lenguaje y otras formas de pensamiento. Luego elimina la mayoría de las conexiones en el cerebro, de modo que pueda ver más fácilmente la forma en que está organizado. A medida que aumenta la ampliación, algo sorprendente toma forma delante de mí. A pesar de la complejidad vertiginosa de los circuitos, todos ellos se cruzan en ángulos rectos , como las líneas en una hoja de papel cuadriculado .

"Es como una red cuadriculada", dice Wedeen .




Cuando Wedeen presentó por primera vez la estructura de red del cerebro , en 2012 , algunos científicos se mostraron escépticos , preguntándose si había descubierto sólo una parte de una anatomía mucho más complicada. Pero Wedeen está más convencido que nunca de que el patrón es significativo. Dondequiera que mire -en el cerebro de los seres humanos, monos , ratas- , él encuentra la red cuadriculada. Señala que los sistemas nerviosos más tempranos en gusanos Cámbricos eran simples rejillas , sólo un par de cordones nerviosos que van desde la cabeza hasta la cola , con enlaces en travesaño entre ellos. En nuestro propio linaje los nervios en el cerebro se cuentan  en miles de millones , pero aún conservan esa estructura reticular . Es posible que nuestros pensamientos corran como tranvías a lo largo de estas vías de sustancia blanca en forma de señales que viajan de una región del cerebro a otra.

"No hay ninguna posibilidad de que no haya reglas que gestionen esto", dice Wedeen , mirando fijamente a la imagen de mi cerebro. "Pero todavía no estamos en posición de ver la simplicidad . "

Los científicos están aprendiendo tanto sobre el cerebro ahora,  que es fácil olvidar que durante gran parte de la historia, no teníamos ni idea de cómo funcionaba o incluso lo que era. En los antiguos tiempos, los médicos creían que el cerebro estaba hecho de flema. Aristóteles veía en él como un frigorifico, que refrescaba el corazón ardiente. Desde su época a través del Renacimiento , los anatomistas declararon con gran autoridad que nuestras percepciones , emociones , razonamientos y acciones eran el resultado de "espíritus animados" - vapores desconocidos y misteriosos que se arremolinaban a través de cavidades en nuestra cabeza y viajaban a través de nuestros cuerpos.

La revolución científica en el siglo XVII comenzó a cambiar eso. El médico británico Thomas Willis reconoció que en el tejido blando del cerebro era donde existía nuestro mundo mental. Para entender cómo funcionaba, diseccionó cerebros de ovejas , perros , y pacientes fallecidos, dibujando los primeros mapas precisos del órgano.

Haría falta otro siglo para que los investigadores comprendieran que el cerebro es un órgano eléctrico . En lugar de los espíritus animados, los potenciales de acción viajan a través de él y hacia el sistema nervioso del cuerpo. Sin embargo, incluso en el siglo XIX los científicos sabían muy poco acerca de las rutas que seguían esos potenciales. El médico italiano Camillo Golgi argumentó que el cerebro era una red conectada sin fisuras. Sobre la base de la investigación de Golgi , el científico español Santiago Ramón y Cajal probó nuevas formas de teñir las neuronas individuales para rastrear sus ramas enredadas . Cajal reconoció lo que Golgi no: que cada neurona es una célula distinta, separada de cualquier otra. Una neurona envía señales a través de zarcillos conocidos como axones. Un pequeño espacio separa los extremos de los axones, de los extremos de recepción de las neuronas , llamados dendritas. Los científicos más tarde descubrirían que los axones vuelcan un cóctel de sustancias químicas en el espacio intermedio para disparar una señal en la neurona vecina.

Jeff Lichtman , neurocientífico , es el actual profesor Ramón y Cajal de Artes y Ciencias de Harvard , que lleva el proyecto de Cajal en el siglo XXI. En lugar de hacer dibujos a pluma y tinta de neuronas teñidas a mano, él y sus colegas están creando imágenes tridimensionales muy detalladas de las neuronas , revelando cada protuberancia y tallo ramificado que sale de ellas. Escudriñando la estructura fina de las células nerviosas individuales , pueden finalmente obtener respuestas a algunas de las preguntas más básicas sobre la naturaleza del cerebro . Cada neurona tiene un promedio de 10.000 sinapsis . ¿Hay algo de orden en sus conexiones con otras neuronas , o son al azar? ¿Prefieren unirse a un tipo de neurona sobre los demás ?

Para producir las imágenes , Lichtman y sus colegas colocan trozos conservados de cerebro de ratón en una versión neuroanatómica de una máquina de cortar fiambre, que obtiene rodajas de tejido , cada uno de menos de una milésima del grosor de un cabello humano . Los científicos usan un microscopio electrónico para obtener una imagen de cada sección transversal , para  a continuación, utilizar un ordenador que las organiza en una pila . Poco a poco se concreta  una imagen tridimensional - una que los científicos pueden explorar como si estuvieran en un submarino que viaja a través de un bosque de algas bajo el agua.

"Todo queda revelado ", dice Lichtman .

El único problema es la enormidad de " todo. " Hasta ahora el mayor volumen del cerebro de un ratón que Lichtman y sus colegas han logrado recrear es aproximadamente del tamaño de un grano de sal. Sus datos alcanzaría un total de cien terabytes , la misma cantidad de datos de cerca de 25.000 películas de alta definición .

Una vez que los científicos han reunido esta información, comienza  el trabajo realmente duro: Buscar las reglas que organizan el aparente caos del cerebro. Recientemente, el investigador postdoctoral del Lichtman, Narayanan Kasthuri, propuso analizar cada detalle en un cilindro de tejido cerebral de ratón que midiera sólo mil micrones cubicos- un volumen de 1/100. 000 del tamaño de un grano de sal. Seleccionó una región que rodeara a un segmento corto de un solo axón , buscando identificar cada neurona que pasara a través de él .

Esa minúscula porción de cerebro resultó ser como un barril de serpientes agitadas. Kasthuri encontró un millar de axones y unas 80 dendritas, cada uno haciendo aproximadamente 600 conexiones con otras neuronas en el interior del cilindro. "Es una llamada de atención de que los cerebros son mucho mas complicados de lo que podríamos pensar", afirma Lichtman .

Complicado, pero no al azar. Lichtman y Kasthuri descubrieron que cada neurona hizo casi todas sus conexiones con otra única neurona, evitando escrupulosamente una conexión con casi todas las otras neuronas empaquetadas herméticamente alrededor de ella. "Las neuronas parecen ser selectivas sobre con quién se conectan " , afirma Lichtman .




Lichtman no puede decir todavía si este patrón exigente es una regla general o una característica de sólo la pequeña zona de cerebro de ratón de la muestra. Incluso con la mejora de la tecnología, él y sus colegas necesitarán otros dos años para completar una exploración de las 70 millones de neuronas de un ratón. Le pregunto sobre la exploración de un cerebro humano entero, que contiene un millar de veces más neuronas que el de un ratón.

"No quiero ni pensarlo", dice , con una sonrisa. "Es muy doloroso. "

Cuando Lichtman complete, si lo hace,  su retrato tridimensional del cerebro, se revelará mucho , pero aun así será sólo una escultura exquisitamente detallada. Sus neuronas fotografiadas son modelos huecos; las neuronas reales están repletas de ADN activo, proteínas y otras moléculas. Cada tipo de neurona utiliza un conjunto diferente de genes para construir la maquinaria molecular que necesita para hacer su propio trabajo. Las neuronas sensibles a la luz en los ojos producen proteínas que capturan fotones, por ejemplo, y las neuronas en una región llamada la substantia nigra producen dopamina , que es crucial para nuestro sentido de la recompensa. La geografía de las proteínas y otros productos químicos es esencial para entender cómo funciona el cerebro y cómo deja de hacerlo. En la enfermedad de Parkinson las neuronas de la substantia nigra producen menos dopamina de lo normal , por razones que aún no están claras. La enfermedad de Alzheimer dispersa marañas de proteínas a través del cerebro, aunque los científicos tienen todavía que averiguar cómo esas marañas de proteinas dan lugar a la demencia devastadora que la enfermedad causa .

Un mapa de la maquinaria molecular del cerebro llamado el Atlas  Cerebral de Allen se ha generado en el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro en Seattle , fundada hace diez años con fondos del cofundador de Microsoft, Paul Allen. Utilizando los cerebros de personas que han fallecido recientemente , donados por sus familiares , los investigadores allí utilizan una imagen de resonancia magnética de alta resolución ( MRI) de cada cerebro como una hoja de ruta en tres dimensiones , para luego cortarlo en secciones de espesor microscópico que se montan sobre láminas de cristal. A continuación, tratan las secciones con productos químicos que revelan la presencia de genes activos albergados en las neuronas .

Hasta ahora, los investigadores han mapeado los cerebros de seis personas , cartografiando la actividad de 20.000 genes codificadores de proteínas en 700 sitios dentro de cada cerebro. Es una cantidad colosal de datos , y sólo han empezado a encontrarle sentido . Los científicos estiman que el 84 por ciento de todos los genes de nuestro ADN se activa en algún lugar en el cerebro adulto. ( Un órgano más simple como el corazón o el páncreas requiere muchos menos genes para trabajar ).  En cada uno de los 700 sitios de los científicos estudiaron las neuronas activan una colección distinta de genes. En un estudio preliminar de dos regiones del cerebro, los científicos compararon mil genes que ya se conocían como importantes para la función neuronal. De una persona a otra, las áreas del cerebro donde cada uno de estos genes se expresan eran prácticamente idénticas. Parece como si el cerebro tuviera un paisaje genético de grano fino, con combinaciones especiales de  genes que llevan a cabo tareas en diferentes lugares. El secreto de muchas enfermedades del cerebro puede estar escondido en ese paisaje, ya que ciertos genes se pueden activar o desactivar de forma anormal.

Toda la información del Atlas Cerebral de Allen se publica en línea, para que otros científicos pueden navegar a través de los datos con software a medida. Ya se están haciendo nuevos descubrimientos. Un equipo de científicos brasileños , por ejemplo, lo ha utilizado para estudiar una enfermedad cerebral devastadora llamada enfermedad de Fahr , que calcifica regiones en el interior del cerebro , lo que conduce a la demencia. Algunos casos de la enfermedad de Fahr ya habían sido relacionados con una mutación en el gen SLC20A2 . En el atlas de los científicos encontraron que el gen SLC20A2 es más activo precisamente en las regiones que están dañadas por la enfermedad. También encontraron una red de otros genes que son más activos en las mismas áreas , y ahora están tratando de averiguar si están implicados también en la enfermedad de Fahr.

De todas las nuevas formas de visualizar el cerebro, tal vez el más notable es uno inventado por el neurocientífico y psiquiatra Karl Deisseroth y sus colegas en Stanford . Para ver el cerebro , empiezan por hacerlo desaparecer .


Huelga decir que un cerebro humano o de ratón normal es decididamente opaco, con sus células envueltas en grasa y otros compuestos que bloquean la luz . Por eso Cajal tuvo que teñir las neuronas con el fin de verlas y es por lo que el grupo de Lichtman y los científicos del Instituto Allen cortan el cerebro en secciones delgadas para tener acceso a sus profundidades internas . La ventaja de un cerebro transparente es que nos permite mirar su funcionamiento, mientras que el órgano está todavía intacto . Junto con el investigador postdoctoral Kwanghun Chung, Deisseroth experimentó una receta para sustituir los compuestos que dispersan la luz en el cerebro con moléculas transparentes . Después de hacer transparente un cerebro de ratón de esta manera, podrán tratar el cerebro con marcadores químicos brillantes que se  adhieran sólo a ciertas proteínas o bien  trazar la vía específica que conecte neuronas en regiones distantes del cerebro . Entonces, los científicos pueden eliminar el conjunto de sustancias químicas y añadir otro que revele la ubicación y la estructura de un tipo diferente de neuronas - en efecto desenredar el nudo gordiano de los circuitos neuronales , uno por uno . " No hay que desmontarlo para mostrar el cableado ", dice Deisseroth .

No es fácil deslumbrar a los neurocientíficos , pero el método de Deisseroth , llamado CLARITY, ha dejado a sus colegas asombrados . "Es muy rompedor", dice Christof Koch, el director científico del Instituto Allen. Wedeen ha llamado a la investigación " espectacular ... totalmente diferente de cualquier otra herramienta neurocientifica " .

Debido a nuestra herencia evolutiva compartida, un cerebro de ratón transparente puede revelar mucho sobre la función del cerebro humano. Pero el objetivo final de Deisseroth es realizar la misma transformación con un cerebro humano- una tarea mucho más difícil , dado que un cerebro humano es 3.000 veces mayor que el de un ratón .

Una imagen obtenida mediante la técnica CLARITY mostrando la ubicación de un solo tipo de proteína en un solo cerebro humano crearía una cantidad monstruosa de datos -acerca de dos petabytes , o el equivalente a varios cientos de miles de películas de alta definición . Deisseroth anticipa que CLARITY puede ayudar algún día a la clase de gente que trata en su práctica psiquiátrica, revelando características ocultas de trastornos como el autismo y la depresión. Pero por ahora, esas esperanzas se mantienen bajo control.

"Tenemos tanto camino por recorrer antes de que podamos aplicarlo a los tratamientos que le digo a la gente , “Ni siquiera pienses todavía en eso ", dice . " Por el momento,  es sólo un viaje de descubrimiento. "

Tan revelador como un cerebro transparente pueda llegar a ser , todavía no está vivo. Los científicos necesitan diferentes herramientas para explorar el terreno de los cerebros vivos. Los escáneres que Wedeen utiliza para rastrear los patrones de la materia blanca pueden, con una programación diferente , registrar el cerebro en acción . La resonancia magnética funcional ( fMRI ) señala las regiones del cerebro utilizadas durante una tarea mental . Durante el último par de décadas, la  fMRI ha ayudado a revelar las redes que participan en todo tipo de procesos de pensamiento , desde reconocer las caras o disfrutar de una taza de café a recordar un acontecimiento traumático .

Es fácil dejarse deslumbrar por las imágenes de resonancia magnética funcional , que decoran el cerebro con gotas del arco iris. Pero es importante tener en cuenta que esas imágenes son en realidad muy bastas. Los escáneres más potentes pueden registrar la actividad sólo hasta la escala de valor de un milímetro cubico –una cantidad de tejido como una semilla de sésamo. Dentro de ese espacio, cientos de miles de neuronas están disparando señales eléctricas en patrones sincronizados. El cómo esas señales dan lugar a los patrones coordinados revelados por la fMRI sigue siendo un misterio .

"Hay preguntas ridículamente simples sobre la corteza cerebral  a las que no podemos responder ", dice Clay Reid, un ex colega de Jeff Lichtman de la Universidad de Harvard que se trasladó al Instituto Allen en 2012.

Reid ha llegado a Seattle con la esperanza de responder a algunas de esas preguntas con una gran serie de experimentos que él y sus colegas llaman MindScope . Su objetivo es entender cómo un gran número de neuronas llevar a cabo una tarea compleja.

La función, que Reid y sus colegas han optado por descifrar, es la visión. Los científicos han estado investigando cómo vemos desde hace décadas, pero han sido capaces de estudiarlo sólo por partes. Un neurólogo puede colocar un electrodo en la región del cerebro de un ratón que participan en la percepción visual y luego observar si las neuronas cercanas se activan cuando el animal ve una imagen en particular .

Este enfoque ha permitido a los científicos mapear las regiones del cerebro visual que se especializan en diferentes tareas, tales como la detección de los bordes de un objeto o percibir el brillo. Pero los científicos no han sido capaces de ver todas esas regiones que trabajan juntas a la vez, para conocer como los millones de neuronas en las regiones visuales del cerebro de un ratón integran al instante la información dando como resultado la imagen de un gato.

Reid y sus colegas están intentando resolver ese problema mediante ratones genéticamente modificados para que sus neuronas visuales lancen destellos de luz cuando se activan. Los flashes registran la actividad neural cuando un ratón ve un objeto específico , ya sea un gato, una serpiente, o un pedazo atractivo de queso. Entonces, los científicos pueden compilar los datos para crear modelos matemáticos masivos de la visión. Si los modelos son correctos, los investigadores serán capaces de leer, literalmente, la mente de un ratón.

"Nuestro objetivo es reconstruir lo que ve el ratón", dice Reid. "Y creo que podemos hacerlo . "

La investigación de Reid sobre la visión del ratón es otro paso hacia el objetivo final de la neurociencia : una visión integral de cómo este órgano muy complicado realmente funciona - lo que los científicos con los que hablé llaman una Teoría del Cerebro. Tal gran visión tiene todavía un largo camino por recorrer , y en su mayor parte , su búsqueda cambiará la forma en que los médicos tratan a los pacientes . Pero hay una línea de investigación – la conexión-cerebro-máquina- donde el mapeo de la mente ha comenzado ya a cambiar la vida de las personas.

Cuando tenía 43 años, Cathy Hutchinson sufrió un derrame cerebral , dejándola incapaz de moverse o hablar . Tendida en su cama en el Hospital General de Massachusetts, poco a poco descubrió que sus médicos no sabían si estaba clínicamente muerta o todavía consciente. Su hermana  preguntó a Hutchinson si podía entenderla. Se las arregló para responder moviendo los ojos hacia arriba.

"Me dio un gran alivio ", me dice Hutchinson 17 años después, " porque todo el mundo hablaba de mí como si me estuviera muriendo. "

Es un día frío de invierno en su casa en el este de Massachusetts , y ella está sentada en una silla de ruedas en el medio de la sala, vestida con un chándal de color verde oscuro y zapatillas de deporte. Todavía casi completamente paralizada e incapaz de hablar , ella se comunica mirando letras dispuestas en un monitor de ordenador atornillado a su silla de ruedas , mientras una cámara sigue el movimiento de un pequeño disco de metal insertado en el centro de sus gafas.

Cerca de la parte superior del cerebro esta una región llamada la corteza motora , donde generamos las órdenes para mover nuestros músculos. Durante más de un siglo hemos sabido que cada parte de la corteza corresponde a un área particular del cuerpo . Cuando la gente como Hutchinson se paraliza , la corteza motora a menudo se mantiene intacta , pero no puede comunicarse con el resto del cuerpo , debido a que sus conexiones han sido destruidas. John Donoghue , neurocientífico de la Universidad de Brown, quería encontrar una manera de ayudar a las personas con parálisis , recurriendo a las señales de su corteza motora . Tal vez con el tiempo podrían aprender a escribir en un ordenador o manejar una máquina sólo con sus pensamientos. Donoghue pasó años desarrollando un implante y probando el dispositivo en monos. Una vez que él y sus colegas sabían que era seguro, estaban listos para empezar a trabajar con pacientes humanos.

Uno de ellos era Hutchinson. En 2005 los cirujanos en el Hospital de Rhode Island perforaron un agujero del tamaño de una ficha de póquer en su cráneo e insertaron el sensor para el dispositivo de Donoghue . Del tamaño de una mariquita, el sensor contiene un centenar de agujas en miniatura, que , al pulsar en la corteza motora de Hutchinson, registran las señales de las neuronas cercanas. Un conjunto de cables anclados a este dispositivo pasa a través del agujero en el cráneo y van a un conector de metal asentado en su cuero cabelludo.

Una vez curada de su operación de cirugía, los investigadores de la Universidad Brown enchufaron el implante de Hutchinson a un cable que transmite patrones de señales de su cerebro a un ordenador movil en su habitación. Como primer paso , los científicos entrenaron al ordenador a reconocer las señales en su corteza motora y a utilizarlos para mover un cursor de ordenador en torno a una pantalla. Esto se logró la primera vez que lo intentó porque habían aprendido cómo traducir los patrones de la actividad cerebral a movimientos . Dos años más tarde acoplaron un brazo robótico al ordenador , refinando un programa que pudiera interpretar las señales cerebrales de Hutchinson para mover el brazo hacia adelante y hacia atrás, para elevarlo hacia arriba y hacia abajo , y para abrir sus dedos robóticos y apretarlos con fuerza.

Después de unas pocas sesiones, Hutchinson, el ordenador, y el brazo robótico se habían convertido en un equipo. "Lo noté natural", me dijo ella. Tan natural que un día ella se acercó un café con leche, lo agarró y se lo llevó a los labios para beber.

" La sonrisa de Cathy cuando ella dejó la bebida - eso es todo", dice Donoghue .

Hoy Donoghue y otros científicos tras ese éxito , esperan crear interfaces hombre-máquina que sean de gran alcance , seguras y fáciles. En la Universidad de Duke, Miguel Nicolelis ha estado experimentando con exoesqueletos que se sujetan al cuerpo. Las señales procedentes del cerebro controlan cada extremidad. Ya se ha conseguido controlar exoesqueletos de cuerpo completo en monos . Si todo va bien , un parapléjico con una versión más simple del dispositivo disparará el tiro de apertura  en la Copa del Mundo de 2014 en Brasil, donde nació Nicolelis .





"Con el tiempo, los implantes cerebrales se convertirán en algo tan común como los implantes de corazón ", dice Nicolelis . "No tengo ninguna duda sobre eso. "

Cuando se trata del cerebro, predecir el futuro es un juego complicado . Los avances en el pasado han inspirado expectativas vertiginosas que en muchos casos no se han cumplido . "No podemos todavía diferenciar a un cerebro esquizofrénico, de un cerebro autista, de un cerebro normal", dice Christof Koch. Pero la investigación continúa y en su opinión, la neurociencia se está moviendo  a una nueva etapa notable. "Creo que podemos empezar a juntar las piezas. "


Basado en : http://ngm-beta.nationalgeographic.com/2014/02/articles/secrets-of-the-brain/?id=1374



jueves, 23 de enero de 2014

La neurociencia y el cromosoma X




En el cerebro de un ratón hembra, se observa un patrón de
izquierda a derecha en el silenciamiento del cromosoma X.
Estos patrones pueden influir en cómo funcionan los cerebros
 individuales. Hao Wu y Jeremy Nathans / Cell Press
      


El término " cromosoma X " tiene un aire de misterio en sí mismo, y con razón. Debe su nombre en 1891 a un biólogo desconcertado  llamado Hermann Henking. Para investigar la naturaleza de los cromosomas, Henking examinaba las células bajo un microscopio simple. Todos los cromosomas en las células vienen en parejas.

Todos excepto uno.

Henking marcó este atípico cromosoma como el "elemento X ". Nadie sabe a ciencia cierta lo que quería decir con la letra. Tal vez él lo vio como un cromosoma extra. O tal vez pensó que era un ex-cromosoma. Tal vez utilizó la X en la forma en la que lo  hacen los matemáticos, para referirse a algo desconocido.

Hoy, los científicos conocen el cromosoma X mucho mejor. Es parte del sistema que determina si llegamos a ser machos o hembras. Si un óvulo hereda un cromosoma X de ambos padres, se convierte en hembra. Si recibe un cromosoma X de su madre y un cromosoma Y de su padre, se convierte en macho.

Pero el cromosoma X sigue siendo un misterio. ¿ por qué las hembras anulan un cromosoma X en cada célula, dejando sólo uno activo?. Eso es un paso drástico a dar, ya que el cromosoma X tiene más de 1.000 genes.



Las células silencian los cromosomas X según diferentes patrones, 
a veces sesgando órganos enteros hacia uno de los padres. De
izquierda a derecha, la córnea, la piel, el cartílago y el oído interno
de un ratón. El Dr. Jeremy Nathans espera que sus mapas coloreados
sirvan como un atlas de los efectos de la inactivación del cromosoma X
en las hembras. Hao Wu y Jeremy Nathans / Cell Press


En algunas células, el del padre queda inactivo, y en otros, lo hace  el de la madre. Mientras que los científicos conocen este proceso llamado inactivación del cromosoma X desde hace  más de cinco décadas, todavía conocen muy poco acerca de las reglas que sigue, o incluso la forma en que evolucionó.

En la revista Neuron, un equipo de científicos ha presentado una visión sin precedentes de la inactivación del cromosoma X en el cuerpo. Se encontró  una notable complejidad  en el patrón que los cromosomas utilizan para activarse y desactivarse.

Al mismo tiempo, cada copia del cromosoma X contiene versiones de los genes que no se encuentran en su socio. Así que tener dos cromosomas X da a las hembras más diversidad genética que a  los machos, con su único cromosoma X. Debido a eso, las hembras tienen una complejidad genética que los científicos sólo están empezando a entender.

"Las hembras sencillamente  tienen acceso a ámbitos de la biología que los machos no tienen ", según  Huntington F. Willard , Director del Instituto de Ciencias del Genoma de la Universidad Duke, que no participó en la investigación.

Pero aunque los genes adicionales proporcionados por su segundo cromosoma X pueden, en algunos casos, dar a las hembras una ventaja genética, los cromosomas X también tienen un lado oscuro. Su biología peculiar puede conducir a trastornos genéticos en los machos y, sugiere una investigación reciente, crear un especial riesgo de cáncer en las hembras. Entender la inactivación del cromosoma X también puede arrojar luz sobre el uso de células madre en terapias.

Un biólogo japonés Susumu Ohno, reconoció por primera vez la inactivación del cromosoma X a finales de los años 50. En cada célula femenina que él y sus colegas estudiaron, descubrieron que uno de los dos cromosomas X se había reducido a un estado de latencia. Los científicos encontraron mas tarde que este cromosoma X no producía prácticamente ninguna proteína, lo que confirmaba su estado de inactivación.

La genetista británica Mary F. Lyon se dio cuenta de que podía aprender más acerca de inactivación del cromosoma X investigando crías de ratones, debido a que algunos genes de color se asientan en el cromosoma X. En 1961 publicó que los ratones hembra lucían parches de pelo, unos con el color de la madre y otros con los del padre.

Conocer en profundidad  cómo las hembras inactivan sus cromosomas X ha permanecido como un desafío en las décadas siguientes desde el descubrimiento de la Dra. Lyon. En los últimos años, el Dr. Jeremy Nathans, investigador del Instituto Médico Howard Hughes en la Universidad Johns Hopkins, y sus colegas han desarrollado una manera de hacer que los cromosomas X de diferentes padres se iluminen. Para ello, insertaron un conjunto de genes en los cromosomas X de los ratones. Los genes producen una proteína fluorescente verde, pero sólo si su cromosoma X está activo y está expuesto a un componente químico específico.

El Dr. Nathans y sus colegas diseñaron otros ratones de forma que produjeran una proteína roja a partir de un cromosoma X activo en respuesta a una sustancia química específica. Los investigadores criaron los ratones alterados para producir crías hembra. Las crías heredan un cromosoma X verde de uno de los padres  y uno rojo del otro.

Cuando los científicos añadían sus dos productos químicos desencadenantes de la expresión del color a las células del ratón hembra, estas se iluminaban en un mosaico deslumbrante de rojos y verdes. Una célula podía inactivar el cromosoma X de la madre, mientras que su vecina podía inactivar el del padre.

En los últimos años, los científicos han apreciado en mayor medida que nuestras células pueden variar genéticamente - un fenómeno llamado mosaicismo . Y según nos muestran las imágenes del Dr. Nathans,  la inactivación del cromosoma X, crea una diversidad genética que es particularmente notable. Dos células lado a lado pueden estar usando diferentes versiones de muchos genes diferentes. "Pero también hay diversidad a mucha mayor escala ", según el Dr. Nathans .

En algunos cerebros, por ejemplo,  se ve como el cromosoma X de la madre domina el lado izquierdo, mientras que el del padre domina el lado derecho. Órganos enteros pueden estar sesgados hacia uno de los padres. El Dr. Nathans y sus colegas encontraron que en algunos ratones, un ojo estaba dominado por el padre y el otro por la madre. La diversidad incluso se extendió a todo el ratón. En algunos animales, se inactivaron casi todos los cromosomas X de uno de los padres, en otros, lo contrario era cierto.

Para aprender más acerca de cómo las hembras inactivaron sus
cromosomas X , los investigadores desarrollaron una manera de 
hacer que los cromosomas X de diferentes padres se iluminen en 
verde o rojo en ratones. Retinas izquierda y derecha de un ratón. 
 Imagen de Hao Wu y Jeremy Nathans / Cell Press


El Dr. Nathans espera que sus mapas coloreados puedan servir como un atlas de los efectos de la inactivación del cromosoma X en los cuerpos de las hembras. Debido a que cada cromosoma X lleva diferentes variantes de los mismos genes, los tejidos dominados por los genes paternos pueden comportarse de manera diferente a los dominados por el cromosoma X de la madre.

Cómo una célula termina silenciando el cromosoma X del padre o el de la madre aún no está del todo claro. Los científicos están empezando a descifrar algunos de los pasos clave en el proceso,
 ya que se han identificado una serie de moléculas que producen el silenciamiento. El líder de este equipo molecular se conoce como Xist.

Desde que fue descubierto en la década de los 90, los científicos han debatido cómo Xist se las arregla para inactivar un cromosoma entero. Algunos investigadores sugieren que una molécula Xist aterriza en un punto en el cromosoma X y luego otras se van añadiendo, extendiéndose a lo largo de su longitud. Pero estudios recientes realizados por la Dra. Lee y sus colegas muestran que las moléculas Xist envuelven al cromosoma X como un enjambre de abejas. "Afecta a todos los genes a la vez ", dijo.

Una vez Xist prende, atrae a otros tipos de moléculas. Juntos envuelven el cromosoma X. Cuando una célula se divide, las nuevas copias de las moléculas silencian el mismo cromosoma en sus descendientes.

Los científicos también están intrigados sobre el por qué las células de las hembras deben molestarse con una danza tan elaborada. Aunque los científicos han propuesto una serie de explicaciones desde que se descubrió la inactivación del cromosoma X, Gabriel AB Marais , un biólogo evolutivo en la Universidad de Lyon en Francia, dijo que ninguna encaja bien con  las actuales evidencias. "La situación es muy confusa ".

Es posible, por ejemplo, que los machos tengan que aumentar la producción de proteínas a partir de su cromosoma X porque tienen sólo una copia de sus genes. Pero esto crea un dilema para las hembras, ya que podrían autoprovocarse una sobredosis. La desactivación de uno de los cromosomas X hiperactivos ayudaría a recuperar el equilibrio.

Las hembras podrían haber evolucionado para elegir al azar entre los cromosomas X de sus padres porque les daría más versatilidad genética. A veces, un gen en un cromosoma X es defectuoso. Las células que utilizan la copia sana del cromosoma X pueden compensar. Los machos, por el contrario, serían mucho más propensos a los trastornos genéticos ligados al cromosoma X , como la ceguera a los colores. Con sólo un cromosoma X en sus células, no tienen ninguna copia de seguridad.

El Dr. Nathans especula que el uso de cromosomas de ambos padres es especialmente útil en el sistema nervioso. Se podrían crear más formas de procesar la información. "El objetivo  se llama diversidad en el cerebro" dijo.

Pero el cromosoma X también puede suponer un riesgo para las mujeres. La Dra. Lee y sus colegas han descubierto que cuando se apagaba Xist en ratones hembras, los animales eran más propensos a desarrollar cáncer. Ella sospecha que cuando una célula deja de producir Xist, el cromosoma X inactivado se despierta. Las proteínas adicionales que produce pueden llevar a una célula a crecer sin control.

Esto ha surgido en terapia con células madre y posiblemente, antes de que las células madre puedan utilizarse con seguridad en los tratamientos médicos, será necesario resolver el misterio que Henking originalmente marcó con una X.


Basado en:  http://www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273(13)01003-9?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627313010039%3Fshowall%3Dtrue&cc=y=