Neurociencia

Actualizado: 12 de sep de 2020


POR FUTURE TRENS FORUM

Antonio Damasio, Matthew Hutson, Alex Fornito, Sean Hill,

Rodrigo Quian, Ng Wai Hoe, Mustafa Husain, Juan Carlos López, Manuel López Figueroa

Fuente: Fundación Bankinter

Fotografías: Transforma Partenering, Canarias 7, La Voz de Asturias, National Geographic, LMNeugem.com, Blog UNITEC



Tu cerebro define quién eres, cómo procesas el mundo que te rodea y cómo respondes a los estímulos. En el cerebro suceden procesos como enamorarse de alguien, ser capaz de reconocerte a ti mismo, que un olor te recuerde a un lugar, tu tolerancia al dolor, incluso recomponer un corazón roto es labor del cerebro, de las hormonas que secreta y de los pensamientos que genera.

Pero también entender tu día a día como una amenaza, no ver algunos colores, perder el sentido de la propiocepción o tu capacidad para comunicarte, olvidarte de quién es tu hija o perder el interés por la vida. Son consecuencias de disfunciones provocadas por enfermedades, lesiones o falta de desarrollo que afectan al órgano estrella del cuerpo.


¿Qué es la neurociencia?


Antonio Damasio, Universidad del Sur de California

Todos estos procesos tienen que ver con la neurociencia, pero, ¿qué es la neurociencia? Indudablemente, es una pregunta difícil de responder. La definición oficial asegura que es la “ciencia que se ocupa del sistema nervioso y de cada uno de sus diversos aspectos y funciones especializadas”.

Aunque certera, se trata de una definición que se nos queda pequeña. Si vamos un poco más al detalle, y teniendo en cuenta la complejidad de los procesos que suceden en el cerebro, podríamos decir que la neurociencia “surge con el objetivo de comprender el funcionamiento y la estructura del sistema nervioso desde distintas aproximaciones, mediante metodologías y técnicas diversas”.


Lo que esta definición quiere decir es que la ciencia del cerebro necesita de la colaboración de multitud de disciplinas para desentrañar los entresijos del órgano más complejo de nuestro cuerpo. La química, la fisiología, la psicología, la farmacología, la genética, la ingeniería de varios ámbitos, más recientemente, la informática… todas ellas participan también en la neurociencia. Estamos hechos de estructuras cerebrales, sinapsis entre neuronas y procesos mentales. También de emociones, enfermedades neurológicas y mentales. Parece que cada nuevo descubrimiento hace más obvia la necesidad de entender la neurociencia desde distintas perspectivas. De hecho, hay quien asegura que la neurociencia no es solo una, sino que tendría más sentido hablar de neurociencias, en plural, ya que en realidad son distintas disciplinas las que estudian las bases biológicas de la conducta.

Pero ni siquiera eso completa la ecuación. Si queremos entender lo que es la neurociencia ahora mismo, no podemos pasar por alto las nuevas tecnologías. Con ellas, la observación del cerebro es más minuciosa que nunca, podemos ser humanos mejorados gracias a las interfaces cerebro-máquina e incluso crear máquinas con sentimientos gracias a la inteligencia artificial.

El desarrollo de la computación, el big data, la llegada de la realidad virtual, la nanotecnología y las máquinas de secuenciación genética, entre otras tecnologías, están redefiniendo esta ciencia. Ahora, además de entender el funcionamiento del cerebro humano, también es importante tener en cuenta lo que aprendemos de las máquinas y de su capacidad para analizar información y predecir, por ejemplo, patrones de conexión entre neuronas.




Más allá del cerebro


Matthew Hutson, Escritor de ciencia y tecnología

Tradicionalmente, esta ciencia se ha estudiado poniendo al cerebro en el centro. “Por supuesto, es perfectamente aceptable, porque hemos tenido un éxito tremendo con la neurociencia y por eso nos hemos permitido pensar que deberíamos centrarnos solo en el cerebro y no hablar de prácticamente nada que no sea el cerebro”, explica Antonio Damasio. Pero también aporta una visión novedosa que puede ayudarnos a entender mejor en qué consiste la neurociencia más allá del cerebro.

En la Tierra hay vida desde hace 4.000 millones de años, y solo en una fracción muy pequeña de ese periodo ha habido vida con sistemas nerviosos, como mucho, unos 500 millones de años. La mayoría del tiempo, nuestro planeta ha estado habitado por sistemas vivos unicelulares, como las bacterias. A pesar de ser organismos con una estructura aparentemente simple, Damasio opina que se les debería haber prestado más atención para entender el cerebro humano. ¿Por qué?

“Observamos en ellas comportamientos complejos, la posibilidad de detectar estímulos y responder a ellos (tienen sensibilidad, aunque no conciencia); vemos metabolismos complejos, que regulan sus procesos vitales, y también algo que, a menudo, la gente no

asocia con la vida unicelular: la socialización”. Tienen la posibilidad de formar alianzas, de cooperar y de combatir. Esto nos lleva a la conclusión de que “hay mucha vida inteligente fuera del cerebro, incluso en las bacterias, que pueden hacer cosas que ni siquiera el más inteligente de los robots puede hacer”, comenta sobre este asunto Matthew Hutson.

Pero, a pesar de haber demostrado ser seres muy exitosos, han pasado desapercibidos en el estudio de la neurociencia y el comportamiento humano. “Creo que ha sucedido por el gran éxito que los neurocientíficos hemos tenido en el estudio de, por ejemplo, la percepción, la atención, el razonamiento, la memoria, el movimiento, el lenguaje…”, apunta Damasio. “De hecho, durante el siglo XX, el éxito fue tan grande que realmente complicó la conexión con otros aspectos de la neurociencia, como por ejemplo el afecto, la emoción y la posibilidad de sentir”. Es decir, dificultó la colaboración entre distintas disciplinas.

“Tenemos que darnos cuenta de que el sistema nervioso, con toda su complejidad, hace una cosa muy sencilla: prolonga, expande y actualiza el proyecto de homeostasis”. En el contexto de la neurociencia, la homeostasis hace referencia a “una colección de reglas y regulaciones destinadas a mantener la vida en el futuro y resistir la tendencia a la enfermedad y el declive”, según el propio Damasio. “Así que realmente no creo que haya una gran diferencia entre lo que logra el sistema nervioso y cómo lo hace, y lo que las bacterias, esos organismos increíbles y tan exitosos, logran”.

Por eso, para llegar a conseguir una definición lo más completa posible de la neurociencia, Damasio pide que “no perdamos de vista la vida y los organismos en general, no nos centremos solamente en la neurociencia y las tecnologías que se enfocan puramente en el cerebro. Observemos el cerebro en el contexto de la biología general”. Cualquier nueva aproximación es bienvenida, ya que el cerebro sigue siendo el órgano humano más misterioso. Ya lo dijo Neil deGrasse Tyson, astrofísico y divulgador científico estadounidense: “todo lo que hacemos, cada pensamiento que hemos tenido, es producido por el cerebro humano. Pero exactamente cómo funciona sigue siendo uno de los mayores misterios sin resolver y parece que, cuanto más investigamos sus secretos, más sorpresas nos encontramos”.

La neurona es la unidad estructural y funcional del sistema nervioso

Decenas de años después, la investigación en neurociencia nos ha llevado a descubrir datos asombrosos del funcionamiento neuronal. Conocemos perfectamente su morfología, sabemos que tienen núcleo, dendritas y un axón y hemos visto al detalle cómo se comunican entre ellas. También sabemos cómo se transmiten los impulsos nerviosos de una neurona a la siguiente y que hay algunas que están especializadas en el sistema visual y otras en el auditivo, algunas que se encargan de ayudarnos a recordar y otras a reconocer caras. Aunque también hemos aprendido que no hay áreas anatómicas concretas para todos estos sistemas, sino redes neuronales que se refuerzan a cada nueva conexión.



Conexiones: la base del funcionamiento neuronal


Alex Fornito, Instituto Turner para el Cerebro y la Salud Mental de Australia

A fines del siglo XIX, Santiago Ramón y Cajal situó por primera vez las neuronas como elementos individuales del sistema nervioso: propuso que actuaban como unidades que se intercomunicaban estableciendo una especie de red de conexiones, lo que lo convirtió en el primer español en recibir un premio Nobel de Medicina en 1906. A día de hoy, ya es una realidad irrefutable que la neurona es la unidad estructural y funcional del sistema nervioso.

Estas células reciben los estímulos del entorno, los convierten en impulsos nerviosos y los transmiten a otra neurona o a una célula muscular que producirá una respuesta.



La neurona es la unidad estructural y funcional del sistema nervioso

Decenas de años después, la investigación en neurociencia nos ha llevado a descubrir datos asombrosos del funcionamiento neuronal. Conocemos perfectamente su morfología, sabemos que tienen núcleo, dendritas y un axón y hemos visto al detalle cómo se comunican entre ellas. También sabemos cómo se transmiten los impulsos nerviosos de una neurona a la siguiente y que hay algunas que están especializadas en el sistema visual y otras en el auditivo, algunas que se encargan de ayudarnos a recordar y otras a reconocer caras. Aunque también hemos aprendido que no hay áreas anatómicas concretas para todos estos sistemas, sino redes neuronales que se refuerzan a cada nueva conexión.

A pesar de que sabemos mucho más del funcionamiento neuronal que hace un siglo, aún hay mecanismos que son un misterio para los científicos y que, día a día, trabajan para desentrañarlos. Una de las preguntas más interesantes que se plantean actualmente en esta área es:

¿Qué determina la forma en que se conectan entre sí las distintas partes cerebrales? Alex Fornito desempeña gran parte de su trabajo precisamente intentando responder a esta pregunta. Fornito estudia las conexiones neuronales y modela el cerebro como una red interconectada. Un concepto central en su campo de trabajo es el conectoma, un mapa de las conexiones que se producen entre las neuronas y que dibuja cómo se relacionan las distintas áreas cerebrales.El conectoma es la base de la aproximación que entiende que el cerebro es una unidad integrada, es decir, que en lugar de presentar diferentes zonas con funciones muy concretas, está moldeada en función de las conexiones”, tal y como define Fernando Maestú, catedrático de psicología de la Universidad Complutense de Madrid.


El conectoma es el mapa de las conexiones en el cerebro


Sean Hill, Centro Krembil de Neuroinformática

Para entender qué patrones de conexión existen y qué determina esos patrones, Fornito y su equipo analizaron mediante un escáner las conexiones cerebrales de distintas personas, con un modelo que les permitía definir qué áreas se comunicaban entre sí en el cerebro.

“Dividimos el cerebro en diferentes regiones. Cada una de esas regiones se convierten en un punto o un nodo, y dibujamos unas líneas conectándolos”. Así, obtuvieron una representación gráfica de las redes. “Este es un modelo muy flexible que permite hacer diferentes tipos de análisis”, explica Fornito. “Por ejemplo, permite generar unos mapas que muestran qué circuito cerebral en concreto se ve afectado en una persona con depresión, TDAH o esquizofrenia, así podemos empezar a buscar las similitudes y diferencias entre los diferentes trastornos”. Pero Fornito y su equipo no se quedaron ahí: fueron un paso más allá y llevaron a cabo lo que denominamos “análisis topológico” para cuantificar más en detalle diferentes aspectos sobre cómo las conexiones se organizan en el cerebro.

Al analizar en profundidad las conexiones cerebrales vieron que se puede dividir el cerebro en módulos. Los módulos cerebrales no son tanto áreas anatómicas como conjuntos de conexiones. “Conforman un módulo aquellas conexiones que están fuertemente conectadas entre sí. Así que se piensa que sirven para responder a funciones relacionadas”, explica Alex Fornito. Por ejemplo, hay un módulo para el sistema auditivo y otro para el sistema visual. Los puntos que se conectan dentro de esos módulos, dentro de esos sistemas, se denominan nodos y aquellos nodos a los que llega una afluencia mayor de conexiones se denominan hubs.

Pero la cosa no queda ahí. Los hubs de cada módulo están conectados entre sí. Es decir, el punto del sistema auditivo que más conexiones recibe está conectado con el punto del sistema visual que más conexiones recibe, formando lo que denominamos un “rich club”. “Los hubs son ricos en cuanto a la cantidad de conexiones que tienen, muchas más que en otras partes cerebrales, y son clubs porque se interconectan unos con otros”, aclara Fornito.



Así que estos puntos estratégicos del cerebro son clave para la comunicación de distintas áreas cerebrales. Pero también son los puntos del cerebro que más consumen y los más vulnerables a las enfermedades. Esta es al menos la conclusión a la que llegaron Alex Fornito y su equipo. “Si mapeamos las áreas del córtex donde sabemos que se ubican algunos hubs y también mapeamos áreas donde se muestra el consumo de glucosa en estado de reposo, vemos que esas áreas se corresponden. Los hubs del cerebro son caros a nivel metabólico porque consumen mucha energía, pero aportan un gran valor funcional integrando las distintas partes del cerebro”. Es decir, consumen mucha energía, pero son muy útiles porque conectan unas áreas cerebrales con otras.

Por si fuera poco, esta alta demanda de glucosa hace a los hubs particularmente vulnerables a las enfermedades. “Si mapeamos el cerebro de una persona con Alzheimer se puede ver que las áreas con niveles más altos de concentración de la proteína amiloide, clave en el desarrollo de la enfermedad, corresponden con los hubs del cerebro.

Y es algo que se ve al estudiar distintos desórdenes como la esquizofrenia, la depresión o la epilepsia”, señala Fornito.

Así que, los hubs, son puntos clave del cerebro que aglutinan un gran número de conexiones, que permiten a distintas partes del cerebro comunicarse pero que, a cambio, consumen mucha energía y son vulnerables a las enfermedades. “Son muy valiosos por la función que desempeñan, pero también implican un gran coste”, explica Fornito.

Los hubs son puntos clave del cerebro que aglutinan un gran número de conexiones

Pero hay una pregunta básica que no hemos planteado todavía: ¿de dónde surgen los hubs? ¿Cómo se determina su organización en el cerebro? Parece que la genética tiene algo que decir aquí. El equipo de Fornito ha trabajado en este asunto en los últimos años, centrándose especialmente en los gemelos humanos para cuantificar hasta qué punto los genes influyen en este asunto. Como resultado, encontraron que la influencia genética es mayor en las conexiones entre hubs, es decir, que no se distribuye de manera homogénea por todo el cerebro, sino que influye especialmente en los hubs. Los genes desempeñan un papel muy importante en la conectividad.

Los patrones de conexión

Ya hemos visto que el estudio de las conexiones entre neuronas permite conocer mejor cómo se comunican las distintas partes del cerebro y observar, por ejemplo, qué circuitos cerebrales en concreto se ven afectados en personas con depresión, TDAH o esquizofrenia. La aproximación propuesta por Sean Hill permite, además, ver cómo los cambios en la excitabilidad de las neuronas y las alteraciones del sueño también están relacionados con distintos trastornos neurológicos, psiquiátricos o de abuso de sustancias. Hill y sus colegas abordan este asunto a través del modelado integral que llevan a cabo en Blue Brain. Este proyecto, que cumple 15 años de vida, tiene como objetivo descifrar y estudiar en detalle las estructuras cerebrales. Para ello, están desarrollando una simulación de todo el órgano a nivel molecular y están elaborando un mapa digital que recrea de la forma más precisa posible los senderos neuronales del cerebro humano y el modo en que estos se activan. Es decir, su trabajo consiste en integrar miles de datos para reconstruir digitalmente los circuitos y las estructuras cerebrales.

Después, les añaden las propiedades electrofisiológicas y las sinápticas para construir un modelo de los circuitos que refleje fenómenos como la oscilación lenta en las redes neuronales, una propiedad intrínseca de la corteza cerebral. Estas oscilaciones aparecen especialmente en algunas fases del sueño y consisten en oleadas de actividad neuronal que viajan de un punto a otro de la corteza con una frecuencia de entre uno o cuatro segundos. El modelo digital que diseñan en el proyecto Blue Brain integra esta oscilación de baja frecuencia basándose únicamente en los datos.

Para ejemplificar la utilidad de estos avances, Hill explica cómo la transición de la vigilia al sueño se acompaña de cambios notables en la actividad neuronal. Más concretamente, explica que las fases de vigilia y sueño no son totalmente binarias. ¿Qué significa esto? Que cuando duermes el cerebro no tiene por qué estar dormido del todo y cuando estás despierto, el cerebro no tiene por qué estar despierto necesariamente. Volvamos a las ondas lentas para entender cómo es posible que suceda esto.

Como comentábamos, estas ondas recorren la corteza cerebral durante algunas fases del sueño. Aunque sea contraintuitivo, estas ondas que nos llevan a dormir comienzan cuando se activan ciertas neuronas. “Al aumentar la excitabilidad de un microcircuito, se produce un cambio que lo hace más propenso a entrar en fase de sueño. Es decir, tiende más a producir estas oscilaciones de baja frecuencia, propias de periodos de sueño, que cuando su estado de excitabilidad está equilibrado”, explica Hill.

Durante la vigilia, la excitabilidad está en niveles normales y “la respuesta a los estímulos es proporcional e integra las entradas correctamente”. Durante la fase de sueño, se produce hiperexcitabilidad de ese circuito y una oscilación más lenta. Pero la vigilia no siempre viene acompañada de una excitabilidad normal y el sueño no siempre viene acompañado de hiperexcitabilidad. Las ondas lentas también pueden aparecer durante la vigilia. “Durante la vigilia, las neuronas corticales se disparan a intervalos irregulares”, explica Hill. Esto significa que hay microintervalos de ondas lentas, propias del sueño, aún cuando estamos despiertos.

Algo parecido sucede durante el sueño. La oscilación de ondas lentas se compone de una fase de inactividad (propia de la vigilia) seguida por una fase de subida (propia del sueño). “Observamos una transición muy abrupta entre las dos fases”, explica Hill. Esto explica que “haya partes del cerebro que están dormidas cuando nosotros estamos despiertos, especialmente en situaciones de falta de sueño”.

La excitabilidad de las neuronas también influye en cómo se conectan con otras partes del cerebro. “Si estimulamos un punto concreto durante la fase de vigilia, vemos una activación diversa del cerebro a lo largo de la red cerebral”, explica Hill. “Durante la fase de sueño, el mismo circuito produce solo una respuesta local que no se propaga por el cerebro”. Así que hay una diferencia drástica en la conectividad del cerebro cuando estamos dormidos y cuando estamos despiertos. Uno de los procesos que actualmente cuenta con más evidencia para explicar esto es la hipótesis de la homeostasis sináptica, que sugiere que dormir por la noche es el precio que pagamos por tener la plasticidad cerebral que utilizamos durante el día. “Si no se usa una parte determinada del cerebro durante el día, esa región local sufrirá una disminución del sueño por la noche”.

Con esta aproximación, el equipo de Hill intenta responder a la pregunta de qué implican los distintos estados del cerebro, cómo se relacionan con otros modos de excitabilidad y con el cerebro entero. Para ello, hace referencia a otro enfoque basado en nuevos datos, el proyecto MouseLight de Janelia, con el que se puede identificar y hacer un seguimiento a todas las neuronas individuales del cerebro. “Esto nos aporta una perspectiva muy diferente de la que hemos tenido hasta ahora sobre el impacto que puede tener una neurona individual en el cerebro".

“Esto está transformando la forma en la que concebimos y entendemos el papel de cada neurona individual en el cerebro”.

La excitabilidad de las neuronas también influye en cómo se conectan con otras partes del cerebro

Uno de los pasos más importantes que han podido dar integrando toda esta información es construir un conectoma predictivo a nivel sináptico de todo el cerebro. “Integrando todos estos datos, podemos predecir todas las sinapsis del cerebro de un ratón”, cuenta Hill. Es decir, no solo pueden estudiar cómo el cerebro se está conectando en ese momento, sino anticiparse a cómo lo hará. “Y esto es solo el punto de partida, es un proceso que está en constante actualización”.



La neurona Jennifer Aniston


Rodrigo Quian,

Centro de Sistemas de Neurociencia de la Universidad de Leicester

Ng Wai Hoe, Instituto Nacional de Neurociencia de Singapur

Desde hace 15 años, Rodrigo Quian, observa el comportamiento de neuronas individuales y grupos de neuronas asociadas en pacientes de epilepsia a los que se les implantan electrodos intracraneales para combatir su enfermedad. Les enseña fotografías y descubre que un grupo de neuronas responde solo ante fotografías de Jennifer Aniston. A nada más. No importa cómo sea la fotografía, la neurona responde. “Eso es lo que la gente llama ‘la neurona de Jennifer Aniston’, quizá lo hayáis oído”, explica Quian. “Y, de la misma manera, encuentro otra neurona que responde a Halle Berry, a cualquier fotografía de Halle Berry; otra a Luke Skywalker, otra a la Ópera de Sydney, otra a Maradona, etc. Ocurre también cuando escribimos el nombre de, por ejemplo, Oprah Winfrey: escribo “Oprah” y la neurona responde. Digo “Oprah” y también responde”.

Con esto, Quian defiende que hay neuronas en el cerebro humano que responden a conceptos y que lo hacen independientemente del contexto. Se activan ante la idea de Jennifer Aniston, no ante una fotografía específica, sino a ella en concreto. Estas neuronas han sido bautizadas como células de concepto. Lo que decide qué conceptos se asocian a un grupo de neuronas y cuáles no depende de la memoria del sujeto, de las cosas que son importantes para él y de lo que decida recordar. Además, estas neuronas se concentran en el hipocampo, un área que involucra la memoria. Teniendo esto en cuenta, Quian se plantea: ¿por qué hay neuronas que responden a conceptos en un área de memoria?

Órgano a diferentes escalas y con diferentes técnicas. Es obvio que, cuanto más evolucionen los métodos de observación, podremos obtener información más valiosa, detallada y rigurosa. Actualmente, existen muchas modalidades de neuroimagen, como la resonancia magnética, la magnetoencefalografía o la electroencefalografía. También existen técnicas más detalladas, como la tomografía de coherencia óptica o la estimulación transcraneal con corriente continua. En general, podemos dividirlas en técnicas de neuroimagen que estudian los rasgos estructurales y anatómicos y las modalidades de imagen que estudian los aspectos funcionales.

Obtendremos información valiosa, detallada y rigurosa del cerebro

¿Cuáles son los usos de todas estas técnicas? Principalmente, se utilizan para el diagnóstico clínico y para la investigación. Ng Wai Hoe, explica que las técnicas de neuroimagen son muy útiles a la hora de examinar el envejecimiento y la neurociencia de rehabilitación, también pueden ayudar a entender el aprendizaje infantil e incluso aplicarse en áreas como la inteligencia artificial, la neurociencia computacional, la ciencia de materiales, la ingeniería de hardware, la ingeniería biomédica y la biotecnología. “Es interesante el hecho de que también podemos utilizar la investigación en neuroimagen para entender el comportamiento humano en los negocios, en la sociedad y en las ciencias sociales”, añade Ng Wai Hoe.

Más concretamente, el NNI (Instituto nacional de Neurociencia de Singapur) tiene varios grupos de trabajo que se centran en la observación y el estudio de distintas afecciones basándose en las técnicas de neuroimagen. Por ejemplo, uno de sus equipos utiliza tractografía probabilística y determinista para estudiar la enfermedad de Parkinson. “Esta tecnología y esta investigación también la estamos aplicando en estudios poblacionales longitudinales para intentar evaluar cómo el cerebro cambia durante el envejecimiento y las enfermedades neurodegenerativas como la demencia”, explica Ng Wai Hoe. En el caso de la enfermedad de Parkinson, también utilizan las técnicas de neuroimagen para monitorizar la respuesta al tratamiento de los trasplantes neuronales. Otra enfermedad en la que su equipo ha puesto el foco es en la hidrocefalia de presión normal, que se caracteriza por afectar a las poblaciones más ancianas causándoles dificultad para caminar, demencia e incontinencia urinaria. Esta investigación les puede ayudar a designar el paciente idóneo para una terapia de derivación de líquido cefalorraquídeo concreta. Les sirve para intentar adaptar el tratamiento a los pacientes.

A pesar de todo lo que se puede conseguir con las técnicas actuales de neuroimagen, el desarrollo de nuevas herramientas es continuo. “Las nuevas técnicas nos ayudarán a obtener más conocimiento e implementarlo, a educar y entrenar nuestra capaci