martes, 29 de noviembre de 2016

Matemáticas: ¿Cómo se procesan en el cerebro?


Resultado de imagen de albert einstein numerosCientíficos de la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford han determinado las coordenadas anatómicas precisas de un “punto específico” del cerebro, que mide alrededor de medio centímetro, que se activa preferentemente cuando se nos muestran números ordinales de los que aprendemos en la escuela primaria. Por ejemplo, “5” o “23”.

Sin embargo, este punto se muestra bastante inactivo cuando el número se muestra en escritura, como “cinco” o “veintitrés”.

El cluster identificado por estos científicos, que no únicamente se activa con el reconocimiento numérico, sino también con las operaciones aritméticas, consiste en una población de neuronas de entre uno y dos millones dentro del giro temporal inferior, una región superficial de la corteza exterior del cerebro. Esta parte anatómica del cerebro es conocida por procesar la información visual.

Aunque cada cerebro es único y su forma cambia ligeramente, todos los individuos observados mantienen esta característica invariable. El cluster de neuronas que procesa numerales está inserto dentro de un grupo mayor de neuronas que se activan por símbolos visuales que tienen líneas con ángulos y curvas. Esas poblaciones neuronales muestran una preferencia por los numerales comparados con las palabras que denotan o suenan como esos numerales.

Pareciera como si la evolución hubiera diseñado esta región del cerebro para detectar estímulos visuales tales como líneas que se intersectan en ángulos variados, la clase de intersecciones que los monos necesitan detectar rápidamente cuando van saltando entre rama y rama en una densa jungla. La adaptación de una parte de esta región al servicio de los números es una sorprendente interacción entre la cultura y la neurobiología.


¿Y que nos pueden enseñar las personas ciegas sobre plasticidad cerebral numérica?


Científicos de la Johns Hopkins  han observado con sorpresa que las personas ciegas aparentemente procesan los números aprovechando una parte de su cerebro reservada para las imágenes en los  individuos con visión normal.

A pesar de la existencia de un cluster neuronal dedicado a los numerales, los conceptos matemáticos se enseñan a menudo de una manera que inciden en el sistema visual del cerebro. A los niños se les puede pedir que cuenten las manzanas en una foto, o que imaginen a dos trenes que se alejen unos de otros a diferentes velocidades. Pero, ¿cuánto de la experiencia visual conforma la forma en que la gente piensa acerca de los números?

Para averiguarlo, los investigadores de Johns Hopkins compararon la actividad cerebral entre un grupo de individuos ciegos congénitos y un grupo de individuos con visión normal, pidiendo a todos los participantes que resolvieran una serie de problemas de matemáticas y tareas de comprensión del lenguaje.

En ambos grupos que participaron en el estudio, las mismas partes del cerebro fueron más activas durante la tarea de matemáticas, un hallazgo significativo porque sugiere que la forma en que los seres humanos procesan conceptos matemáticos se desarrolla de la misma manera, independientemente de la experiencia visual.


Fig. 2.
Areas cerebrales distintas para el tratamiento matemático
 y para el conocimiento semántico general























Pero algo aún más sorprendente tuvo lugar en los cerebros de los participantes ciegos cuando realizaban cálculos matemáticos: estaban usando además una parte de su cerebro para las matemáticas que, entre las personas con visión normal, está reservada para la visión. Y cuanto más complejo es el problema matemático, más activa se vuelve esa región. "Estos resultados sugieren que la experiencia puede cambiar radicalmente la neurobiología del pensamiento numérico", escribieron los investigadores del artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences. En otras palabras, algunas partes del cerebro humano están innatamente preparadas para el pensamiento matemático, mientras que otras áreas parecen funcionar basadas ​​en la experiencia.

La cuestión natural siguiente es lo que esto significa para la habilidad matemática. Si las personas ciegas, al procesar números, son capaces de aprovechar una parte de su cerebro que está reservada para el pensamiento visual en personas con visión normal, ¿no podría significar que las personas ciegas son mejores en matemáticas?

Tal vez, pero no hay evidencia que respalde esa hipótesis todavía, "aunque los individuos ciegos tengan todo este trozo de cerebro adicional dedicado a la tarea de matemáticas", según Shipra Kanjlia, autor principal del estudio. Mientras tanto, sin embargo, los hallazgos al menos desafían la idea común de que las matemáticas son necesariamente un "proceso muy visual", dice. La realidad, en cambio, es que involucrarse en el pensamiento matemático es visual para algunas personas y no para otras.

Albert Einstein, por ejemplo, describió su propio pensamiento como algo "visual" y en parte "muscular". En uno de sus famosos experimentos mentales, Einstein imaginó lo que sería perseguir un fotón moviéndose a la velocidad de la luz. Pero tal ejercicio no requiere realmente una imagen mental. Lo que una persona con visión normal experimenta como pensamiento visual puede ser caracterizado como "espacial", por alguien que es ciego.

Es sorprendentemente difícil articular la experiencia del pensamiento matemático, pero tiene sentido que la gente confíe en los sentidos -sea la vista o el oído- para moldear sus percepciones más amplias del mundo. Las personas, en general, describimos la visualización de números como si aparecieran en una pizarra o una calculadora en nuestra  mente.

En otro estudio, también publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, se encontró que los matemáticos habían "reducido la actividad en las áreas visuales del cerebro involucradas en el procesamiento facial", "Esto podría significar que los recursos neurales necesarios para captar y trabajar con ciertos conceptos matemáticos pueden socavar o reutilizar algunas de las otras capacidades del cerebro”.


Fig. 8.
Efectos de la pericia matemática en la via visual ventral

Las últimas conclusiones, de Kanjlia y sus colegas, parecen complementar ese trabajo. Por ejemplo, su equipo también encontró que los individuos ciegos demostraron "una mayor conectividad funcional" entre las diferentes regiones que procesan el pensamiento numérico.

"La posible conclusión a extraer es que el cerebro es muy flexible, pero también muy resiliente", según expresaba  Shipra Kanjlia. "Cosas que uno piensa que no pueden cambiar, a veces, cambian”




lunes, 21 de noviembre de 2016

La “huella digital” del cerebro humano.


 ¿Es única? ¿Se mantiene inalterada a lo largo del tiempo?


Se ha descubierto recientemente que las conexiones estructurales de un cerebro son tan únicas que los investigadores son capaces de identificar a una persona basándose en la "huella digital" de su cerebro. Un equipo liderado por investigadores de la Universidad Carnegie Mellon fue capaz de descubrir esta huella cerebral utilizando un nuevo escáner MRI de difusión no-invasivo.

Usando la Resonancia Magnética de Difusión, los investigadores fueron capaces de mapear el conectoma, esto es,  las conexiones estructurales del cerebro o lo que se conoce como fibras de materia blanca. La forma en que estas fibras de materia blanca están conectadas es única de persona a persona, lo que permite a los investigadores identificar a alguien con exactitud casi perfecta.

Este tipo de escaneado MRI también permite a los investigadores "medir la integridad a lo largo de cada segmento de los cables biológicos del cerebro" lo que ayuda a distinguir patrones únicos. El escaneado de imágenes por resonancia magnética de difusión es diferente de las exploraciones de resonancia magnética regular, ya que es capaz de generar contraste en las imágenes mediante la difusión de moléculas de agua en tejidos biológicos.

La cuantificación de las diferencias o similitudes en los conectomas ha sido un desafío debido a la inmensa complejidad de las redes cerebrales globales.

Los investigadores utilizaron el método de Resonancia Magnética por difusión  en 699 cerebros para medir sus conexiones locales (las conexiones neuronales). Para crear realmente la "huella digital" del cerebro, los investigadores tomaron los datos de la resonancia magnética por difusión y luego la reconstruyeron para calcular la distribución de la difusión de agua a lo largo de las fibras de la sustancia blanca (el conectoma del cerebro).


Brain Fingerprint
Los datos de la MRI por difusión se reconstruyen para formar la "huella digital" del cerebro.
 Fotografía: Universidad de Carnegie Mellon


Los investigadores realizaron más de 17.000 pruebas de identificación con el fin de saber si la huella cerebral es realmente única. Los investigadores no determinaron cuán exacta era la huella digital, pero sí dijeron que eran capaces de determinar si dos huellas cerebrales provenían de la misma persona o no "con una exactitud del 100%".

La huella cerebral se puede utilizar también como un marcador fenotípico. En el estudio se encontró que los gemelos homozigóticos (hermanos que comparten la misma dotación genética) tienen un porcentaje de similitud del 12,51%. Los gemelos dizigoticos (hermanos nacidos en el mismo parto que no comparten la dotación genética) son similares en un 5,14%. Los hermanos que comparten ambos padres mostraban una similitud en la huella cerebral de un 4,51%, y todo ello relativo a la diferencia entre individuos no relacionados.


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Las diferencias y similitudes entre hermanos gemelos y no gemelos

La organización local de la arquitectura de materia blanca, o conectoma es realmente única para cada individuo, por lo que es posible la medición de las diferencias en el conectoma. El estudio encontró que la variabilidad en la arquitectura de la materia blanca local viene parcialmente determinada por factores genéticos, pero es extraordinariamente plástica a lo largo del tiempo.

El resultado de la investigación también muestra que el carácter distintivo de las conexiones cambia con el tiempo, un promedio de 12,79 % cada 100 días. Los cambios incluyen tanto el crecimiento como el decrecimiento de la conectividad en diferentes localizaciones cerebrales. Esto significa que muchas de nuestras experiencias de vida se reflejan de alguna manera en la conectividad de nuestro cerebro.

Se confirma, por tanto,  algo que siempre se ha asumido en la neurociencia: que los patrones de conectividad en el cerebro son únicos para cada individuo. Las experiencias compartidas, por ejemplo la pobreza o las personas que tienen la misma enfermedad patológica, se reflejan en las conexiones cerebrales, abriendo la puerta a posibles nuevos biomarcadores médicos para ciertos problemas de salud.

Este nuevo enfoque abre una nueva puerta para investigar la influencia de factores patológicos, genéticos, sociales o ambientales en la configuración única del conectoma humano.



jueves, 10 de noviembre de 2016

Olvidémonos de Broca y Wernicke: Reescribiendo la neurobiología del lenguaje

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La imagen muestra el modelo clásico Wernicke-Lichtheim-Geschwind
  de la neurobiología del lenguaje



Si ojeamos cualquier libro de texto de neuropsicología, conoceremos a los pioneros del siglo XIX, Paul Broca y Carl Wernicke, que demostraron que la producción y la comprensión lingüística se gestionan en dos regiones cerebrales distintas, que pasaron a conocerse como el área de Broca y el área de Wernicke respectivamente. También conoceremos a otro pionero de la neurología, Norman Geschwind, quien describió cómo estas dos regiones están unidas por un tracto conectivo clave: el fascículo arqueado.


Este es el "Modelo Clásico" de la base neurológica de la función del lenguaje, en aquel momento una revolución en nuestro entendimiento, y muy influyente hasta nuestros días. Pero de acuerdo con un nuevo estudio  “Brain and Language” recién publicado, el modelo clásico está obsoleto y ya no es apto para el propósito. Es más, su legado y el uso continuado de su terminología están obstaculizando el progreso en el campo, en términos de investigación y de práctica médica.

Antes de publicar su estudio, Pascale Tremblay y Anthony Dick encuestaron el año pasado a 159 expertos en la materia, a través del boletín de Neurobiology of Language Society.  Les preguntaron a estos expertos - la mayoría de ellos científicos, pero también a algunos médicos - si el modelo clásico es la mejor teoría disponible. Sólo el 2 por ciento estuvo de acuerdo en ello, aunque la literatura de investigación esté dominada por artículos basados ​​en el modelo y su terminología (una búsqueda bibliográfica muestra cientos de menciones de las áreas de Broca y Wernicke en neurobiología y neuropsicología en los últimos años).

También hubo una enorme diferencia de opinión entre los encuestados sobre la ubicación anatómica de las áreas de Wernicke y Broca. "Estos términos no son inocuos", escriben Tremblay y Dick - "llevan consigo una noción de relevancia funcional para el lenguaje, pero no todos están de acuerdo con su definición anatómica, y no todos están de acuerdo en su función. Esto contribuye a una confusión conceptual significativa".

Otra cuestión es que el Modelo Clásico cuenta una historia pura, pero es una que ya no se ajusta a la evidencia. Los hallazgos modernos muestran, por ejemplo, que en lugar de existir un tracto conectivo clave relevante para la función del lenguaje, hay muchos, incluyendo el fascículo uncinado, el fascículo frontal-occipital inferior, el fascículo longitudinal medio y el fascículo longitudinal inferior. Casi cualquier libro de neurobiología le mostrará los  dos nodos de lenguaje conectados a través de un solo tramo, y sin embargo "la evidencia abrumadora es que hay múltiples vías de fibra que soportan la función del lenguaje en el cerebro humano".

Y hay claramente más de dos nodos funcionales implicados, de hecho ahora sabemos que la función del lenguaje está increíblemente distribuida a través del cerebro, “extendiéndose mucho más allá de las áreas de Broca y de Wernicke, implicando áreas en el lóbulo frontal, y en los lóbulos parietales y temporales, en los hemisferios medianos del cerebro, así como en los ganglios basales, el tálamo y el cerebelo”.

Sin embargo, el dominio continuo del modelo clásico significa que los estudiantes de neuropsicología y neurología a menudo siguen aprendiendo ideas anticuadas, sin ponerse al día con los últimos descubrimientos en el área. Es probable que los médicos también tengan dificultades para  explicar los síntomas relacionados con el lenguaje, causados ​​por un daño cerebral o por una enfermedad en áreas fuera del Modelo Clásico, pero que son relevantes para la función del lenguaje, como el cerebelo.

Tremblay y Dick llaman a una "ruptura limpia" del Modelo Clásico y un nuevo enfoque que rechaza la perspectiva "centrada en el lenguaje" del pasado (que veía el sistema lingüístico como altamente especializado y claramente definido) y que abarca una perspectiva más distribuida, que reconoce cuánto de la función del lenguaje se superpone a los sistemas cognitivos que originalmente evolucionaron para otros fines.

Según los autores del estudio, y aunque el campo como un todo ha hecho enormes progresos en las últimas décadas, debido en parte a los avances significativos en neuroimagen y métodos de neuroestimulación, es imprescindible el abandono del Modelo Clásico y la terminología de las áreas de Broca y Wernicke para conseguir que prospere el avance teórico adicional sobre esta característica fundamental del ser humano.



Basado en Abstract for “Broca and Wernicke are dead, or moving past the classic model of language neurobiology” by Pascale Tremblay and Anthony Steven Dick in Brain and Language. Published online August 30 2016 doi:10.1016/j.bandl.2016.08.004

martes, 1 de noviembre de 2016

Neuronas obtenidas de células madre reemplazan a neuronas dañadas, reconectándose en el cerebro de forma precisa.



Según han demostrado  investigadores del Instituto Max Planck para la Neurobiologia en Munich, las células madre neuronales embrionarias, trasplantadas a áreas dañadas de la corteza visual de ratones adultos, fueron capaces de diferenciarse en neuronas piramidales, formando conexiones sinápticas normales, respondiendo a estímulos visuales e integrándose en redes neuronales.


La capacidad del cerebro adulto de mamífero para compensar la pérdida neuronal causada por lesión o enfermedad es muy limitada. La inserción de células madre en el tejido cerebral por tanto, tiene como objetivo reemplazar las neuronas perdidas, pero se desconocía hasta qué punto las neuronas nuevas pudieran  integrarse en los circuitos neuronales existentes.




Como se muestra en esta imagen in vivo, los trasplantes neuronales (azul)
 se conectan con las neuronas del huésped (amarillo)
 en el cerebro de un ratón adulto de una manera muy específica,
 reconstruyendo redes neuronales perdidas tras una lesión.
(Foto: Sofía Grade / LMU / Helmholtz Zentrum München)




El cerebro mamífero  adulto tiene muy poca capacidad para compensar la pérdida de células nerviosas, por lo que los investigadores biomédicos están explorando la posibilidad de utilizar células nerviosas trasplantadas para reemplazar las neuronas que han sufrido daños irreparables como resultado de un trauma o enfermedad, lo que lleva a un déficit neurológico que puede incapacitar al enfermo para el resto de su vida.

Los estudios previos han sugerido que hay potencial para remediar al menos algunos de los síntomas clínicos resultantes de la enfermedad cerebral adquirida a través del trasplante de células nerviosas fetales en las redes neuronales dañadas. Sin embargo, no estaba claro si las neuronas intactas trasplantadas se integrarían en la red dañada de forma que la función perdida pudiera restaurarse.

Ahora, en el reciente estudio publicado en Nature, los investigadores han encontrado tras  experimentos de rastreo monosinápticos, que las células nerviosas embrionarias trasplantadas, tras un periodo de 4 a 8 semanas,  y en respuesta a estímulos visuales, se habían diferenciado correctamente en neuronas piramidales, formando conexiones sinápticas normales, con poda selectiva de dendritas basales, logrando densidades de tipo adulto de espinas dendríticas y botones axonales, y llevando a cabo las tareas antes realizadas por las neuronas dañadas.

Fue una sorpresa añadida para los investigadores, el descubrir que de las nuevas neuronas adquiridas crecían axones en todo el cerebro adulto, alcanzando las áreas diana apropiadas y recibiendo entradas específicas de neuronas que forman parte de la capa neocortical V1 (desde la corteza visual primaria) de las neuronas del huésped, precisamente las mismas entradas que habrían recibido las neuronas originales e incluyendo conexiones genículo-corticales organizadas topográficamente.

Esto se produce en los circuitos neocorticales que se supone que nunca incorporan nuevas neuronas en el cerebro mamífero adulto.

Además, las respuestas selectivas al estímulo se refinan en el curso de muchas semanas y finalmente, tras dos o tres meses,  se vuelven indistinguibles de las neuronas del huésped,  esto es, las neuronas trasplantadas se habrían integrado totalmente en el cerebro, mostrando propiedades funcionales indistinguibles de las neuronas originales.

Es un inicio prometedor a posibles nuevas técnicas de recuperación de tejido cerebral dañado y que soslayaría la incapacidad de generación de nuevas neuronas en gran parte de los tejidos cerebrales. Es necesario continuar con esta investigación, para confirmar unos resultados tan prometedores.