Todos los cerebros humanos son diferentes, pero, ¿de dónde proviene la diversidad en el interconectado de las más de mil millones de neuronas con más de 100 billones de interconexiones?
Las variaciones que heredamos de los genes de nuestros padres podrían jugar un papel. Sin embargo, aún gemelos idénticos criados por los mismos padres pueden tener marcadas diferencias en su función mental, en las características de su comportamiento, y en el riesgo de enfermedades mentales o enfermedades neurodegenerativas. De hecho, ratones criados para ser idénticos genéticamente y manejados exactamente de la misma manera en el laboratorio muestran diferencias en su habilidad para aprender, evasión del miedo y respuestas para el estrés aún con la edad, género y cuidado se mantienen constantes. Algo más debe estar sucediendo.
Algunos creen que esto es debido a la epigenética, pero investigadores han encontrado sospechosos que parecen operar dentro del cerebro principalmente: genes que brincan. Dichos genes, encontrados virtualmente en todas las especies, pueden pegar copias de si mismos en otras partes del genoma (ADN en el núcleo) y alterar el funcionamiento, creando diferencias sutiles en la habilidad para el aprendizaje, rasgos de personalidad y susceptibilidad a problemas neurológicos. Estos elementos móviles podrían existir como un mecanismo de defensa contra antiguos invasores. Así mismo, estos genes que brincan podrían tener un papel en los desórdenes psiquiátricos que nos afectan, pero el beneficio de este mecanismo podría por mucho superar los riesgos.
El estudio fue conducido por Fred H. Gage, un profesor especializado en como se generan las neuronas en el Laboratorio de Genética del Instituto Salk para Estudios Biológicos en La Jolla, California. El coautor es Alysson R. Muotri, quién es profesora asistente del departamento de pediatría y medicina celular y molecular en la Universidad de California, en San Diego.
Un equipo de investigadores encontró como las memorias relacionadas con el dolor son almacenadas en el cerebro, y sugieren de que manera estas memorias podrían ser borradas, ayudando a las personas que sufren de dolor crónico.
El equipo de investigadores fue liderado por el neurocientífico de McGill Terrence Coderre, quién también está afiliado con el Instituto de Investigación del Centro Universitario de la Salud McGill.
“Quizá el mejor ejemplo de una memoria de dolor es encontrada con el dolor de una extremidad fantasma”, sugiere Coderre. “Los pacientes que tienen una extremidad amputada por gangrena, y por que era dolorosa antes de ser amputada, aunque la extremidad ya no está, los pacientes continúan sintiendo que sufren de dolor en la extremidad ausente. Eso es por que el cerebro recuerda el dolor. De hecho, hay evidencia de que cualquier dolor que dure más de unos minutos dejará un rastro en el sistema nervioso”.
Estas memorias de dolor, que existen solo a nivel neuronal, son críticas en el desarrollo del dolor crónico, pero hasta ahora no se sabía como se almacenan estas memorias en las neuronas. El reciente trabajo muestra que la proteína quinasa Mζ(PKMζ) juega un papel crucial en la construcción y mantenimiento de la memoria al fortalecer conexiones entre neuronas. Esta proteína es también la clave de las memorias de dolor, tras estimular el dolor, el nivel de Mζ se incrementa persistentemente en el sistema nervioso central. Bloqueando la actividad de esta proteína a nivel neuronal, podían revertir la hipersensibilidad al dolor, en efecto, borrando la memoria del dolor.
Emery Brown y ShiNung Ching. Imagen: M. Scott Brauer
Un nuevo modelo de actividad neuro-eléctrica podría ayudarle a científicos a entender mejor los estados inactivos del cerebro como el coma.
Por Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).
Diferentes estados del cerebro producen diferentes ondas de actividad eléctrica, con el cerebro alerta, el cerebro relajado y el cerebro durmiendo produciendo patrones en electroencefalogramas (EEG) fácilmente reconocibles. Estos patrones cambian aún más dramáticamente cuando el cerebro entra en ciertos estados inactivos profundos durante anestesia general o un coma.
Investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y de la Universidad de Harvard descubrieron como uno de estos estados inactivos, conocido como supresión de ráfagas (burst suppression), se da. El encuentro, reportado en la edición en línea de PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) la semana del 6 de febrero, podría ayudar a los investigadores a monitorear mejor otros estados en los que ocurre la supresión de ráfagas. Por ejemplo, también es visto en los cerebros de víctimas de ataques cardíacos que son enfriados para prevenir daño cerebral debido a la privación de oxígeno, y en los cerebros de pacientes deliberadamente colocados en comas médicos para tratar una lesión cerebral traumática o ataques intratables.
Durante la supresión de ráfagas, el cerebro está callado por varios segundos a la vez, interrumpido por pequeñas ráfagas de actividad. Emery Brown, un profesor del MIT de ciencias cognitivas y cerebrales, ciencias y tecnologías de la salud, y un anestesista en el Hospital General de Massachusetts, se propuso estudiar la supresión de ráfagas en el cerebro anestesiado y otros estados cerebrales en la esperanza de descubrir un mecanismo fundamental por el que el patrón se da. Dicho conocimiento podría ayudar a científicos a encontrar que tanta supresión de ráfagas es necesaria para la protección cerebral óptima durante hipotermia inducida, cuando este estado es deliberadamente creado.
“Podrías ser capaz de desarrollar una manera mucho más basada en principios para guiar la terapia para usar la supresión de ráfagas en casos de coma médicos”, dijo Brown, autor principal de la revista académica de PNAS. “La pregunta es, ¿cómo sabes que pacientes tienen su cerebro lo suficientemente protegido? ¿Deberían de tener una ráfaga cada segundo? ¿O quizá una cada cinco segundos?”.
Modelando la actividad eléctrica
ShiNung Ching, un postdoctorado en el laboratorio de Brown y actor de la revista académica PNAS, desarrolló un modelo para describir como se da la supresión de ráfagas, basado en el comportamiento de neuronas en el cerebro. El disparo de neuronas está controlado por la actividad en los canales que permiten fluir iones como potasio y sodio dentro y fuera de la célula, alterando su voltaje.
Por cada neurona, “pudimos modelar matemáticamente el flujo de iones dentro y fuera del cuerpo celular, a través de la membrana”, dijo Ching. En este estudio, el equipo combinó muchas neuronas para crear un modelo de una larga red cerebral. Al mostrar como el enfriamiento y ciertas drogas anestésicas reducen el uso del cerebro de ATP (Adenosine triphosphate – la unidad o “moneda” usada para transferencia de energía entre células), los investigadores pudieron generar patrones de supresión de ráfagas consistentes con los que son actualmente vistos en pacientes humanos.
Ésta es la primera vez que las reducciones en actividad metabólica al nivel neuronal han sido vinculadas a la supresión de ráfagas, y sugiere que el cerebro probablemente usa supresión de ráfagas para conservar energía vital durante los tiempos de trauma.
“Lo que es realmente emocionante sobre esto es la idea de que la regulación metabólica de tiendas de energía celular juegan un papel en las dinámicas observadas del electroencefalograma”, dijo Nicholas Schiff, un profesor de neurología y neurociencia en el Colegio Médico Weill Cornell, quien no estuvo involucrado en esta investigación.
El cerebro en desarrollo
Supresión de ráfagas también es vista en bebés nacidos prematuramente. Conforme estos bebés crecen, sus patrones cerebrales se mueven hacia el patrón continuo normal. Brown especula que en infantes prematuros, el cerebro prodría estarse protegiendo al conservar energía.
“Cuando miras como se desarrollan estos niños, podemos fácilmente comenzar a sugerir maneras de monitorear su mejora cuantitativamente. Entonces los mismos algoritmos que usamos para monitorear la supresión de ráfagas en el cuarto de operaciones podrían ser usadas para monitorear la desaparición de la supresión de ráfagas en estos niños”, dijo Brown.
Dicho rastreo podría ayudar a doctores a determinar si infantes prematuros se están moviendo hacia un desarrollo normal o si tienen un desorden cerebral subyacente que podría no ser diagnosticado, dijo Ching.
En estudios futuros, los investigadores planean estudiar infantes prematuros así como pacientes cuyos cerebros son enfriados y aquellos con comas inducidos. Dichos estudios podrían revelar que tanta supresión de ráfagas es suficiente para proteger el cerebro en esas situaciones vulnerables.
Científicos del Instituto Max Planck de Cibernética Biológica descubrieron como diferentes regiones del cerebro cooperan durante la memoria de corto plazo. Aunque parece una función simple, el proceso de la memoria de corto plazo es un complejo acto cognitivo que requiere la participación de múltiples regiones cerebrales. Cómo estas regiones cooperan ha sido una pregunta difícil de responder, pero los investigadores se han acercado a responderla.
Oscilaciones entre diferentes regiones cerebrales son cruciales en recordar visualmente cosas en un periodo corto de tiempo, estás regiones necesitan coordinarse e integrar información. Los científicos grabaron la actividad cerebral en el área visual y en la parte frontal del cerebro de monos. A estos les fueron mostradas imágenes idénticas o diferentes dentro de intervalos cortos mientras grababan su actividad cerebral. Los animales tenían entonces que indicar si la segunda imagen era la misma que la primera.
Los científicos observaron que ambas regiones mostraban fuertes oscilaciones en ciertas frecuencias, y que estas oscilaciones no ocurrían independientemente sino que las regiones sincronizaban temporalmente su actividad. Mientras más sincronizada era la actividad, mejor recordaban los animales la imagen inicial. Casi todos los actos cognitivos multifacéticos provienen de una interacción compleja de redes neuronales distribuidas y especializadas, como estas relaciones son establecidas y como contribuyen es pobremente entendido hoy en día.
Por más de una década, neurocientíficos han sabido que muchas de las células en una región del cerebro llamada la circunvolución fusiforme se especializan en reconocer caras. Sin embargo, esas células no actúan solas: Necesitan comunicarse con otras partes del cerebro. Rastreando esas conexiones, neurocientíficos del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) han demostrado como pueden predecir precisamente que partes de la circunvolución fusiforme seleccionan las caras.
El estudio, que apareció en la publicación “Nature Neuroscience” (Neurociencia natural) del 25 de Diciembre, es el primero en vincular la conectividad de una región del cerebro con su función. No hay dos personas que tengan la misma estructura de la circunvolución fusiforme exacta, pero utilizando patrones de conectividad, los investigadores pueden ahora determinar precisamente que partes de la circunvolución fusiforme de un individuo están involucradas en el reconocimiento de caras.
Utilizando esta aproximación, los científicos podrían aprender más sobre las deficiencias en el reconocimiento de caras que comúnmente se ven en el autismo y en la prosopagnosia, un trastorno causado por un infarto. Este método también podría utilizarse para determinar las relaciones entre estructura y función en otras partes del cerebro.
Para determinar el mapa de los patrones de conectividad del cerebro, los investigadores usaron una técnica llamada difusión por peso (diffusion-weighted imaging), la cual está basada en la resonancia magnética. Un campo magnético aplicado al cerebro de la persona provoca que el agua en el cerebro fluya en la misma dirección. Sin embargo, donde se encuentren axones – las largas extensiones celulares que conectan una neurona a otras regiones del cerebro – el agua es forzada a fluir junto con el axón, en lugar de cruzarlo. Esto es por que los axones están recubiertos con un material graso llamado mielina, el cual es impermeable al agua.
Al aplicar el campo magnético en muchas direcciones diferentes y observar en que dirección fluye el agua, los investigadores pueden identificar las posiciones de los axones y determinar que regiones del cerebro están conectando.
Los investigadores encontraron que ciertas áreas de la circunvolución fusiforme estaban fuertemente conectadas a regiones del cerebro que también se sabe que están involucradas en el reconocimiento de caras, incluyendo las cortezas temporales superior e inferior. Esas áreas de la circunvolución fusiforme también estuvieron muy activas cuando los sujetos realizaban tareas de reconocimiento de caras.
Circunvolución fusiforme.
Basados en los resultados de un grupo de sujetos, los investigadores crearon un modelo que predice funcionalidad en la circunvolución fusiforme basado solamente en los patrones de conectividad observados. En un segundo grupo de sujetos, encontraron que el modelo predijo exitosamente que áreas de la circunvolución fusiforme responderían a las caras.
Los investigadores del MIT están ahora expandiendo sus estudios de conectividad a otras regiones del cerebro y a otras funciones visuales, como el reconocimiento de objetos y escenas, así como caras. Se espera que estos estudios también ayuden a revelar algunos de los mecanismos de como se procesa la información en cada punto conforme fluye a través del cerebro.
Cuando experimentas un nuevo evento, tu cerebro codifica una memoria de este alterando la conexión entre neuronas. Esto requiere la activación de muchos genes en esas neuronas. Ahora, neurocientíficos del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) han identificado lo que podría ser un gen maestro que controla este proceso complejo. El descubrimiento no solo revela algunos de los procesos moleculares de la formación de memorias – podrían incluso ayudar a los neurocientíficos a identificar el punto exacto de las memorias en el cerebro.
El equipo de investigación, liderado por Yingxi Lin, un miembro del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro en el MIT, se enfocó en el gen Npas4, el cual previos estudios han mostrado encendiéndose inmediatamente después de nuevas experiencias. El gen es activo particularmente en el hipocampo, una estructura cerebral que se sabe que es crítica en la formación de memorias de largo término.
Lin y sus colegas encontraron que Npas4 enciende una serie de otros genes que modifican el cableado interno del cerebro al ajustar la fuerza de las sinapsis (conexiones entre neuronas). “Este es un gen que puede conectar desde la experiencia hasta el cambio eventual del circuito,” dice Lin.
Ratones fueron alterados genéticamente por científicos estadounidenses, aumentando 3 veces la cantidad del gen Ube3a (asociado con el desarrollo del autismo) en uno de sus cromosomas, en comparación con lo que tiene un ratón normal.
Esta modificación genética se llevó a cabo con la finalidad de profundizar en la investigación de este trastorno que se ha vuelto cada vez más común. Se comparó el comportamiento de ratones normales con el de los ratones modificados. Estos últimos presentaron conductas parecidas a las que muestran las personas que padecen de autismo, tales como evitar la compañía de otros miembros de su especie, no emitir sonidos al encontrarse con ellos y la realización de movimientos repetitivos, dedicando todo el tiempo a su aseo.
Se explicó que la comunicación entre las neuronas está alterada en los cerebros de estos ratones, y en próximas investigaciones se buscará encontrar qué defectos en los circuitos neuronales son los causantes del trastorno de comportamiento en el autismo.
Los ratones “autistas” podrían ser útiles en la elaboración de fármacos que funcionen como cura contra el trastorno, pues los medicamentos actuales solamente controlan síntomas como agresividad e hiperactividad.
La idea de que un auto se conduzca sólo no es nueva, y aunque la primera impresión es de seguridad y eficiencia, aun faltan años enteros de pruebas antes de que el ser humano renuncie al volante. Quizás esta sea la barrera más complicada de superar, pues hasta la fecha hay quienes consideran absurdo que un auto se conduzca sin intervención humana.
Es por esto que Nissan considera importante llegar a un acuerdo entre el coche y el conductor, donde las manos seguirían en el volante, pero el auto podría “anticiparse” a las decisiones y requerimientos del conductor.
La gente de Nissan en conjunto con la “École Polytechnique Fédérale de Lausame” (EPFL) de Suiza, están planeando un auto que pueda anticiparse a los deseos del conductor, ya sea que piense frenar, acelerar o doblar, esto a través de la interpretación de múltiples factores como las ondas cerebrales.
Este proyecto surgió a partir del trabajo que han desarrollado los científicos de la EPFL, el cual ha permitido a personas con discapacidad controlar sus sillas de ruedas solamente con su pensamiento. Claramente el siguiente paso, y uno muy grande, es adaptar esta tecnología para brindar precisión y seguridad suficientes para ser utilizada en un auto. Así que esperemos que no pase mucho tiempo para que los primeros prototipos sean dados a conocer.
Investigadores de la Universidad de California en Berkeley, crearon un sistema que permite decodificar la actividad visual del cerebro humano y transformarla en vídeos digitales .
Durante uno de los experimentos, los investigadores vieron películas y variedad de vídeos, mientras que mediante fMRI’s (procedimiento clínico que permite mostrar en imágenes las regiones cerebrales que ejecutan una tarea determinada) se medía el flujo sanguíneo a través de la corteza visual del cerebro.
Los datos obtenidos se procesaron mediante un programa que los transforma en píxeles tridimensionales. Con este proceso se decodifican las señales cerebrales que se generan por las imágenes en movimiento que se estan observando, asociando la información de formas y movimientos con actividades específicas del cerebro. A mayor información procesada, el sistema correlaciona mejor la actividad visual en la pantalla con la actividad cerebral.
Se necesitará tiempo para perfeccionar esta tecnología. Eventualmente quizás tenga aplicaciones prácticas como permtir, por ejemplo, un mejor entendimiento de lo que ocurre en las mentes de personas que no pueden comunicarse verbalmente, pacientes en coma y personas con enfermedades neurodegenerativas.
Todos sabemos que el hábito de fumar trae consecuencias graves para nuestra salud con el paso del tiempo, como enfermedades pulmonares que se presentan (principalmente cáncer de pulmón, que ocasiona la muerte de aproximadamente 5 millones de personas al año, esto a nivel mundial). Pero se desconocía que también disminuye nuestra capacidad para memorizar.
Las personas que dejan de fumar, pasado cierto tiempo, recuperan gran parte de su capacidad de memoria. A esta conclusión se llegó después de un estudio, realizado por científicos británicos, que mostró que las personas que dejaron de fumar dos años y medio antes del estudio, obtuvieron en una prueba de memoria un resultado 25% mejor, que quienes fuman actualmente. Los participantes que nunca habían fumado, presentaron excelentes resultados, superando a los fumadores en un 37%.
Los investigadores comentan que no había diferencias en el coeficiente intelectual de los participantes.
