lunes, 22 de mayo de 2017

Conectoma: Diagrama del Cableado del Cerebro Humano







El cerebro humano contiene regiones anatómicas distintas que se comunican para procesar información, como recordar el nombre de una calle o decidir qué comprar al salir de trabajar. La clave para tal procesamiento es una vasta red de fibras nerviosas densamente empaquetadas llamadas tractos. Se estima que hay miles de estos tractos, y, debido a que el cerebro humano está tan fuertemente lleno de células, a menudo tienen una forma sinuosa, trayectorias contorsionadas para formar sus conexiones críticas. Esa situación ha añadido complejidad a los investigadores a la hora de imaginar vías tridimensionales en el cerebro de una persona viva.

Eso ahora está cambiando con un nuevo enfoque llamado tractografía, que se muestra con la técnica de visualización de datos 3D presentada en este video. Aquí, los investigadores acercan y visualizan algunas de las conexiones neurales detectadas con la tractografía que se originan o terminan cerca del hipocampo, que es una región del cerebro esencial para el aprendizaje y la memoria. Si te estás preguntando sobre lo que representan los diferentes colores, indican la orientación de un tracto dentro del cerebro: de lado a lado es rojo, de delante a atrás es verde y de arriba abajo es azul.

El video es obra de Tyler Ard, un neurocientífico del laboratorio de Arthur Toga, en la Escuela de Medicina de la Universidad del Sur de California en Los Ángeles. Como señala Ard, la tractografía es mucho más que simples imágenes en 3D del cableado del cerebro. La técnica es un pilar del Proyecto Conectoma Humano, que se ha propuesto mapear las conexiones neuronales del cerebro en su totalidad. Sumando otras técnicas, la tractografía también podría utilizarse un día para una imagen aún más precisa de los circuitos del cerebro, lo que podría traer una mayor precisión al diagnóstico, tratamiento y prevención de trastornos neurológicos. Dichos esfuerzos ya están en curso como parte de la Iniciativa de Investigación del Cerebro a través de la Iniciativa Avanzada de las Neurotecnologías Innovadoras (BRAIN®).

La tractografía comienza con un tipo especial de resonancia magnética llamado resonancia magnética de difusión. Durante este escaneo, las imágenes de resonancia magnética en 3D se toman de una manera que muestra el paso normal, o difusión, de agua a lo largo de las fibras nerviosas del cerebro. Todos los datos se cargan en un supercomputador programado para medir la trayectoria de la difusión desde múltiples ángulos e inferir la ubicación y dirección de un tracto. Estos cálculos se visualizan posteriormente a través de un software especial.

Conseguir los datos correctos no sólo es un desafío con una técnica relativamente nueva, sino que está repleto de pruebas y errores, desde la recolección de datos hasta el seguimiento de la ruta errática de un tracto. Para dar una idea, la mejor resolución posible de cada medida individual es de aproximadamente 2 milímetros lo suficientemente grande como para contener  decenas de miles de fibras nerviosas.

Ahí es donde Ard entra en la imagen. Como investigador de visualización de datos, Ard pasa sus días en el laboratorio tratando de desarrollar mejores programas y algoritmos que harán que la información compleja de neuroimagen sea más comprensible, reduciendo los errores y haciendo que el proceso de visualización sea más intuitivo, útil y aplicable.


Ard ha reunido una impresionante biblioteca de videos de tractografía. Éste, ahora con la narración agregada por el mismo Ard, fue destacado recientemente en el Concurso Cerebro-Arte 2016, patrocinado por The Neuro Bureau. Si te ha gustado este video, echa un vistazo a algunas de las otras ofertas en los siguientes enlaces:

Brain Basics (National Institute of Mental Health/NIH)
Magnetic Resonance Imaging (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering/NIH)
Laboratory of Neuro Imaging (University of Southern California, Los Angeles)
Brain-Art Competition 2016 (The Neuro Bureau)

jueves, 20 de abril de 2017

Caricias. Desvelando su neurobiología



Cabalgamos sobre una corriente de neuronas desnudas, despojadas de sus envolturas, en  los momentos más dichosos y en las intimidades más profundas de la vida.



Resultado de imagen de tacto Los neurocientíficos desean trazar las aguas navegables del cerebro, cada uno de sus afluentes y meandros. Estamos realizando metaanálisis de cerebros excitados con amor y deseo. Y cuando tengamos estos mapas, estas geografías íntimas, ¿qué?. Como Walt Whitman ha escrito, "Tus hechos son útiles, y sin embargo no son mi morada." ¿Podemos desentrañar cómo un toque fugaz conduce a un corazón frenético, o por qué una caricia furtiva puede durar una década?. Una respuesta digna de nuestro esfuerzo debe comenzar en la superficie de la piel, pero de alguna manera terminar en la poesía.

Mientras caminaba en una playa japonesa a finales del siglo XIX, el doctor escocés Henry Faulds encontró fragmentos de cerámica que llevaban impresiones de los dedos de los artesanos prehistóricos. Vasijas contemporáneas hechas por métodos similares revelaron detalles más finos y le alertaron sobre las variaciones minuciosas de la mano humana. Los naturalistas de la época a menudo documentaban las formas delicadas de los helechos exóticos mediante la transferencia de una fina capa de tinta de la fronda al papel. Faulds hizo registros similares de las crestas intrincadas de dedos y palmas, anotando la variedad de patrones que observaba entre las huellas digitales de sus amigos y colegas.

Faulds publicó sus observaciones en 1880, en un artículo que propone el uso de huellas dactilares en la criminología. Sugirió la impresión de los patrones de surcos sobre el vidrio en diferentes colores de tinta, por lo que la superposición podría ser proyectada por una linterna mágica. Las impresiones recuperadas de hollín o sangre podrían ser usadas para incriminar o absolver a un sospechoso. Un cuerpo mutilado y sin cabeza podría ser identificado.

En respuesta a su publicación, Faulds pronto se enteró de que Sir William Herschel había utilizado las huellas dactilares para la identificación de los presos bengaleses. La gran colección de grabados de Herschel fue transmitida a Sir Francis Galton, un primo más joven de Charles Darwin y pionero en el estudio de la estadística. En 1892, Galton comparó los arcos, bucles y verticilos que definen la parte central y bulbosa de la punta de los dedos, los espacios triangulares donde convergen las crestas, sus infinitas permutaciones. Galton estimó la probabilidad de que dos huellas dactilares fueran idénticas en aproximadamente uno en 64 mil millones. Al parecer, es tan azaroso cómo se organizan las crestas de nuestras palmas y dedos que hay más posibilidades de hacer una huella digital que dedos existen. Las huellas digitales parecen haberse convertido en metónimos de la identidad por accidente evolutivo.

Sin embargo, esta variabilidad nos está diciendo que algo permanece constante. Pruebe un experimento: lama sus dedos como si estuviera a punto de girar una página. Instintivamente, ha lamido el lugar donde los dedos sujetan los objetos ligeros, y en su centro están los surcos concéntricos y las ranuras que definen su huella digital. Si mueve el dedo sobre un objeto en la distintas direcciones, el objeto se notará perpendicular a las crestas de la huella digital, permitiendo que la fricción tire de cada arista como si derribara una pared. Esta parte central y bulbosa de la punta del dedo también contiene el conjunto más fino y denso de crestas.  Puede ver esto si sigue su dedo una distancia corta hacia su palma, donde las crestas se hacen progresivamente más anchas. No es ninguna coincidencia que las crestas sean más finas, la mayoría centradas en la parte de su dedo que primero hace contacto con un objeto. También es donde las terminaciones nerviosas que detectan el  tacto son más densas.

Las crestas de nuestros dedos y manos están densamente inervadas por las neuronas sensoriales, las células nerviosas que traducen la presión en cambios en el voltaje. Estas neuronas sensoriales vienen en una variedad de formas adecuadas para sus tareas, nombradas por  neurocientíficos como Merkel, Ruffini, Meissner y Pacini. Las terminaciones de los nervios pueden estar acabadas con estructuras llamadas discos, cápsulas o corpúsculos, cada uno definido por un peso o rigidez distintiva. Estas terminaciones hacen que las neuronas sean más o menos sensibles a la presión. Las terminaciones nerviosas que detectan el tacto pueden estar enterradas profundamente en la piel o pueden estar tan cerca de la superficie que se podrían encontrar dentro de la cresta de una huella digital.

Resultado de imagen de mielinaCuando la presión y la profundidad del tacto son las correctas, la superficie de la neurona sensorial se deforma y se estira hasta que la tensión abre los canales que permiten que los iones de sal cargada eléctricamente fluyan dentro y fuera de la célula. El cambio de voltaje causado por el flujo de iones zigzaguea a lo largo del nervio periférico hasta la médula espinal, donde pasa a otras células nerviosas y, finalmente, al cerebro. Podemos juzgar qué tan suave o flexible es algo porque los voltajes que transmiten los patrones complejos de presión llegan lo suficientemente rápido para que nuestros cerebros perciban sutiles variaciones en el tiempo. Sin esta capacidad, el tacto se sentiría como una cinta de vigilancia de mala calidad: borrosa y gruesa. Como otras especies, ganamos velocidad aislando nuestros cables. Las células nerviosas están altamente especializadas y requieren células complementarias para ayudarles con los detalles diarios de la vida celular. Algunos de estos compañeros han desarrollado medios de envolver las proyecciones en forma de cable de las neuronas, volviéndose planos y envolviéndose alrededor del exterior del cable una y otra vez, al igual que un cable eléctrico está  revestido de goma.

Las proyecciones  revestidas de las neuronas son las responsables del tacto fino, pero hay una segunda clase de receptores que permanecen desnudos. Estas terminaciones nerviosas desnudas son más lentas, y responden a clases más gruesas de estímulos. Hace tiempo que la ciencia sabe que estas neuronas no mielinizadas responden a la temperatura, el dolor, las cosquillas y la picazón. Pero sólo recientemente hemos aprendido que también responden a la agradable sensación de una caricia. Investigadores en Suecia obtuvieron datos de las neuronas en la piel de sujetos humanos, que estaban expuestos a un tacto lento y  suave. Para cada pico de excitación eléctrica de las neuronas, se detectó un pequeño pero previsible aumento en el placer. Si bien estas terminaciones neuronales desnudas no se encuentran  en la piel sin pelo de nuestros dedos y palmas, si se encuentran en el resto del cuerpo, en los lugares que se suelen tocar con afecto o consuelo. Y las fibras desnudas son particularmente abundantes en los lugares que nos gusta yuxtaponer - nuestros labios, pezones, genitales y ano. Inexplicablemente, a menudo se ha asumido que estas fibras desnudas estaban allí para la sensación de dolor, como si nunca se hubiera tenido en cuenta el tacto sexual.

Cada receptor táctil propaga tensiones hacia arriba hacia la médula espinal y el cerebro, voltajes que flotan como botellas que llevan notas a lo largo de una vía fluvial definida por las extensiones de las neuronas sensitivas. Cada corriente transmite su propio tipo de mensaje, y la multitud de corrientes se unen en dos corrientes orientadas hacia el norte.

De estas corrientes, las rutas del toque discriminativo están particularmente bien mapeadas. En la década de 1930, el neurocirujano canadiense Wilder Penfield estimuló eléctricamente los cerebros de los epilépticos, investigando la corteza para el origen de las convulsiones. Los pacientes tenían que estar despiertos para este procedimiento de modo que él pudiera preguntarles qué experiencias eran evocadas por la débil corriente eléctrica. La electricidad por sí sola era suficiente para provocar la sensación de ser tocado en un brazo, o, cuando se estimulaba una región cercana de la corteza, el hombro.
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Penfield encontró que el cerebro contenía mapas precisos del cuerpo; Trazó mapas duplicados de tacto y movimiento, lado a lado, a lo largo de los pliegues adyacentes de la corteza. El homúnculo resultante es una imagen icónica de la neurociencia, una extraña representación del cuerpo cuyas distorsiones, como los primeros mapas del mundo, reflejan cómo valoramos la superficie del cuerpo. Las áreas donde el tacto es más sensible se inflan. Y las reconstrucciones tridimensionales de estos mapas revelan una grotesca caricatura de nuestro pasado evolutivo. Nuestros dedos, caras, palmas, labios, lenguas y genitales están todos fuera de tamaño. El mapa de control del movimiento del cerebro está igualmente distorsionado: nuestras manos y bocas en particular son exquisitamente sensibles y extraordinariamente precisas.

Tal vez el atributo más notable del toque discriminativo es que revela lo maleable que puede ser nuestro cerebro. Los cerebros de los pacientes nacidos con sindactilia, en la que dos o más dedos están fusionados, representan ese conjunto de dedos como una sola unidad. Si se separan quirúrgicamente esos dedos, sus mapas corticales pronto les siguen, nuevas fronteras surgiendo de su independencia. Los músicos de cuerda profesionales utilizan la mano izquierda para la digitación precisa de un arpegio o aria. Con cada nota que toca un  glissando o staccato, con cada vibrato brillante o conmovedor, la corteza correspondiente a la mano izquierda aumenta lentamente.

Si el uso incrementa las representaciones neuronales, el desuso hace que se contraigan, permitiendo que las neuronas vecinas se agazapen en los espacios vacantes. Las neuronas que registran el tacto facial se encuentran junto a las representaciones de nuestros brazos; Los amputados que pierden un brazo encuentran que la representación de la cara del cerebro crece para hacerse cargo de las regiones ahora ociosas del mapa. El tacto genital y el control de los músculos pélvicos se encuentran uno al lado del otro a lo largo de un rincón central de la corteza, justo debajo de los territorios corticales de los pies. En uno de los ejemplos más provocativos de plasticidad neural, el neurólogo V S Ramachandran de la Universidad de California en San Diego, cita a dos amputados que, después de perder un pie, parecen haber ganado sensibilidad genital.

Las neuronas sensoriales no mielinizadas del cuerpo alimentan una corriente que traslada información sobre la naturaleza cualitativa del tacto, sobre lo que podría significar un tacto. La corriente desnuda fluye hacia arriba hacia sus propios destinos únicos, a través de una vía anatómica llamada el sistema anterolateral. El sistema anterolateral media nuestra experiencia de intimidades sociales y sexuales.

El hipotálamo, por ejemplo, es una región del cerebro que se asienta  encima del paladar y coordina la liberación de hormonas. Entre sus muchas tareas, regula la ovulación y la producción de esperma. En respuesta a sus señales, las células gonadales producen hormonas como la testosterona, el estrógeno y la progesterona, cada una de las cuales alimenta el impulso procreador. Entre los vertebrados, la ovulación es precedida por un aumento gradual en el estrógeno, seguido rápidamente por un pico en la progesterona.


Resultado de imagen de tactoUna hormona particularmente famosa, la oxitocina, se libera del hipotálamo en respuesta a una variedad de tacto. La oxitocina es liberada por el contacto piel a piel entre los recién nacidos y las madres. Durante la lactancia, la sensación de un lactante succionando provoca la liberación de oxitocina, que a su vez evoca la eyección de la leche. Pero la oxitocina también es liberada por el masaje, por abrazos, por el aseo entre los miembros de una tropa de babuinos, por las madres roedoras que lamen a sus crías. Los niños criados en los grandes orfanatos rumanos y privados de contacto físico se desarrollan emocionalmente devastados; También tienen bajos niveles de oxitocina en la sangre. Se cree que la oxitocina subyace en los lazos duraderos que formamos con un padre, amigo o amante. Presumiblemente llamamos a nuestros compañeros mamíferos "mascotas" porque es el tacto y la oxitocina que libera lo que nos une. Su piel suave, tan diferente de la de lobos o gatos monteses africanos, parece diseñada para el placer de nuestro toque.

Una segunda hormona menos apreciada que también libera el hipotálamo es la b-endorfina, una pequeña proteína conocida por su capacidad para promover el placer y suprimir el dolor. Los receptores de las endorfinas son los objetivos previstos de los opiáceos, como la morfina, la heroína y la oxycontina - cada uno de los cuales proporciona su propio sabor de calidez eufórica. Las caricias liberan endorfinas. Los primates somos animales táctiles y sociales, pero si nos proporcionan una fuente alternativa de endorfinas,  perdemos interés en el contacto. Los macacos Rhesus cepillados en exceso, y los adictos a la heroína abandonan el sexo. Los opiáceos sintéticos ofrecen la experiencia destilada del abrazo, un puro calor y consuelo que parece imposible alcanzar de otro modo.

¿Desde cuando nos resulta tan confortable el tacto?.  El antropólogo Robin Dunbar, de la Universidad de Oxford, ha señalado que la elaboración del acicalado y el tacto es común entre los primates del viejo mundo: el chimpancé, el gorila, el babuino y el macaco. Algunos grupos de Babuinos Gelada pasan hasta el 20 por ciento de sus días acicalandose. El uso del tacto para fortalecer los lazos sociales parece tener unos 30 millones de años. Los monos aulladores, como otros primates en las Américas, se separaron de nuestro linaje casi 20 millones de años antes de esta innovación. No parecen conocer los placeres de la intimidad no sexual.

Mientras que los monos aulladores no parecen obtener ninguna alegría del abrazo, otras especies sudamericanas son demostrativas el exceso. Las parejas apareadas de monos Titi, por ejemplo, se amontonan constantemente, se arreglan o retuercen sus colas en una trenza larga. Esta propensión al contacto ha evolucionado repetidamente entre los mamíferos que se aparean. Se cree que los mecanismos del cuidado parental han sido reutilizados por la selección natural. Por ejemplo, el nacimiento y la lactancia causan la liberación de la oxitocina materna, y esto provoca la unión a los bebés; La oxitocina también promueve la unión de parejas entre los ratones de campo, los roedores orientados a la familia que pueblan el Medio Oeste Americano; La oxitocina se libera por el orgasmo, o por la caricia que une a los socios y grupos. Y la oxitocina es sólo uno de una serie de neuromoduladores cuya influencia en la crianza de los hijos han moldeado nuestra vida sexual y social.

Y los mamíferos no son únicos. Los pájaros cuidan de sus crías y comúnmente forman parejas reproductoras. Ellos pueden acicalarse y arrullarse, pero no dan a luz o de mamar. ¿Cómo le dicen sus cerebros a quién amar? ¿El  apego aviar es una invención completamente nueva, o hay mecanismos aún más profundos y más antiguos que se reutilizaron para los distintos tipos de  intimidad? ¿De dónde proviene el tacto afectivo positivo? Tal vez comenzó hace 350 millones de años, cuando los vertebrados primero aprendieron a aparearse.

Un artículo de 2011 describió los atributos de las neuronas sensibles a las caricias, detectadas en ratones mediante ingeniería genética para que estas neuronas se activen y puedan ser fácilmente detectadas. Los autores observaron que estas eran más abundantes en la región de la médula espinal que inerva los genitales. Dado que los extremos sensoriales de las neuronas en las zonas erógenas se parecen a los receptores de la caricia y que sus funciones son tan similares -transformar un toque deslizante en una chispa de alegría- parece plausible que el toque placentero surgiera por derivación de la conducta sexual.

Nuestra necesidad de intimidad se deriva naturalmente de nuestra herencia de primates. Los psicólogos sociales, posiblemente entre los primatólogos más especializados, han documentado los complejos papeles que el tacto representa en nuestra especie. Somos seres sociales, y en gran medida, nos definimos a nosotros mismos por a quienes tocamos y por  quienes nos dejamos tocar.
Cuando Penfield mapeó la corteza cerebral del tacto y el movimiento, había un espacio  visiblemente desaparecido. El dolor y el calor carecían de un hogar cortical, un lugar distinto donde pudieran romper la superficie de la conciencia. Los métodos contemporáneos sugieren que el tacto emocional reside en una isla oculta de la corteza conocida como la ínsula: Si se estimula la ínsula con un electrodo, se evocan sensaciones de dolor o calor; Si se acaricia un brazo, la ínsula se ilumina.

Parece que las sensaciones corporales se acumulan en el extremo posterior de la corteza insular y luego avanzan hacia la ínsula anterior, donde se mezclan con información sobre estados corporales -hambre, libido, vigilia- y con sensaciones del mundo externo que han sido filtradas a través de centros de emoción. Las lesiones a la ínsula por accidente cerebrovascular o traumatismo ocasionan déficits peculiares.

Los pacientes asomatognósticos no son conscientes de sus cuerpos; pueden no reconocer sus propios brazos, o pueden confundir el brazo de otro con el suyo propio. La Anosognosia se refiere al trastorno desgarrador de no conocer su propio trastorno, de ser ciego, por ejemplo, pero creyendo que puede ver. O de estar paralizado, pero creyendo que puede moverse. Una interpretación es que la ínsula anterior es responsable de la sensación de estar aquí, en la propia piel, inmersa en la corriente luminosa de la experiencia. Si se daña la ínsula anterior nuestra sensación de estar se emborrona, revelando que nuestro conocimiento más seguro - la propiedad de nuestros propios cuerpos, la integridad de la sensación - sigue siendo una narrativa frágil.

La corteza insular se activa no sólo durante la caricia, sino también durante el pensamiento de la caricia. Y está activa no sólo durante el dolor y el pensamiento del dolor, sino también durante la percepción del dolor de otra persona. Y el cuerpo duele. Tal vez podamos culpar a la corteza insular por la devastación física causada por la pérdida del amor. Y en momentos tan intensos, la experiencia del tiempo se dilata.

Nuestra comprensión está fragmentada y confabulada, una historia reunida a partir de fragmentos de colores que captan la luz de una manera agradable - como un móvil hecho de vidrio de playa, su melodía delicada a la vez esquiva y familiar-. Neruda escribe que tendremos nuestras respuestas sólo en el olvido, cuando el viento susurre verdades donde nuestros oídos estuvieron una vez.


sábado, 8 de abril de 2017

Los orígenes de la neurociencia: De la Teoría de la Célula a Ramón y Cajal





Durante la mayor parte del siglo XIX, se mantuvo el debate entre los investigadores sobre la organización del sistema nervioso. Un grupo de investigadores, los llamados reticularistas, creían que el sistema nervioso consistía en una gran red de tejido, o retículo, formada por los procesos fusionados de las células nerviosas. El otro grupo, los neuronistas, argumentó que el sistema nervioso consistía en elementos distintos, o células.

Ambos grupos utilizaron los mismos métodos para estudiar las células nerviosas, pero llegaron a conclusiones diferentes acerca de la estructura fina del sistema nervioso, que aún no se podía ver en detalle debido a la baja ampliación y la mala resolución de los microscopios disponibles en el momento. Así como el universo observable aumentó de tamaño con el desarrollo de telescopios cada vez más poderosos, también lo hizo la comprensión de la organización del sistema nervioso al mejorar con los avances en la microscopía.

En 1838 Theodore Schwann y Matthias Schleiden propusieron que la célula era la unidad funcional básica de todos los seres vivos. Sin embargo, no se creía que la Teoría Celular se aplicase al sistema nervioso, y no fue hasta fines del siglo XIX que se aceptó generalmente que el cerebro también estaba formado por células. El descubrimiento de la neurona fue un hito en la investigación del cerebro, y allanó el camino para la neurociencia moderna.

Los avances en la microscopía y los métodos histológicos mejorados significaron que las células nerviosas podrían examinarse cada vez más detalladamente, pero en el momento en que se propuso la Teoría de la Célula, la relación entre el cuerpo celular, los axones y las dendritas era todavía desconocida, porque cada uno de los componentes de la  neurona sólo se había visto por separado.

La complejidad y el pequeño tamaño de la mayoría de las neuronas hicieron que la estructura de la neurona fuera la tarea más formidable en el campo de la histología y el debate sobre la estructura fina del sistema nervioso se extendió durante la mayor parte del siglo XIX. Pero, debido al trabajo de un número de individuos excepcionales, a finales del siglo XIX, la doctrina de la neurona prevalecería finalmente sobre teoría reticular.

La popularidad de la teoría reticular alcanzó su punto máximo a mediados del siglo XIX. El principal proponente de esta teoría fue Joseph von Gerlach (1820-1896). Gerlach estaba interesado en los métodos de tinción del tejido nervioso, y utilizó cloruro de oro o cochinilla para teñir sus muestras de tejido, popularizando el uso de esta última entre sus contemporáneos. Sobre la base de sus observaciones utilizando estas técnicas de tinción, Gerlach concluyó que las divisiones más finas de los procesos protoplasmáticos participaban en última instancia en la formación de la red de fibras nerviosas finas que consideraba un componente esencial de la materia gris de la médula espinal.

Hubo disputas entre los reticularistas acerca de la naturaleza de la red nerviosa. Mientras que Gerlach creía que los axones y las dendritas se fundían, otros investigadores sostuvieron que solo uno u otro de los procesos formaba anastomosis.

Johannes Evangelista Purkinje
Johannes Evangelista Purkinje

En la década de 1820, se desarrollaron las lentes acromáticas, y su uso en microscopios compuestos proporcionó a los investigadores imágenes aún más claras de muestras de tejido. Una de las primeras personas que utilizaron los nuevos microscopios compuestos para investigar el tejido nervioso fue Johannes Evangelista Purkinje (1787-1869), anatomista nacido en Libochovice, Bohemia (en lo que hoy es la República Checa).

Purkinje estudió medicina y filosofía en la Universidad de Praga, graduándose en 1819. Luego escribió una tesis doctoral sobre la visión antes de ser nombrado profesor de fisiología en la Universidad de Praga. Como profesor, Purkinje descubrió el fenómeno (ahora conocido como el efecto Purkinje) por el que, a medida que la intensidad de la luz disminuye, los objetos rojos se desvanecen más rápidamente que los azules del mismo brillo.

Purkinje consiguió un microscopio compuesto acromático en 1832, y comenzó a examinar el tejido nervioso y otras muestras biológicas. Él fue la primera persona que utilizó un microtomo para preparar secciones delgadas de tejido nervioso para su examen bajo el microscopio.

Una de las muchas observaciones de Purkinje fue que las neuronas del mesencéfalo dopaminérgicas (que ahora conocemos que degeneran en la enfermedad de Parkinson) sintetizan melanina.

También calculó el diámetro de los cuerpos de estas células, o "gránulos ganglionales", como él los llamó, como "8-30 / 800 de una línea de Viena" (una línea de Viena es el 1/11 de una pulgada). (Actualmente se sabe que miden entre 5 y 135 micrómetros).

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Células de Purkinje dibujadas por Purkinje
Purkinje hizo muchos descubrimientos importantes, incluyendo las vesículas germinales, las glándulas sudoríparas en la epidermis, y las fibras en el corazón que conducen impulsos eléctricos (ahora conocidos como fibras de Purkinje). También descubrió que las huellas dactilares podrían utilizarse como medio de identificación y creó el primer departamento de fisiología del mundo, en la Universidad de Bresslau, en Prusia, en 1839.

Purkinje es, sin embargo, más famoso por descubrir las células cerebelosas que llevan su nombre. Debido a que estas células están entre las más grandes en el cerebro de vertebrados, fueron las primeras neuronas que se identificaron.

La baja amplificación y la escasa resolución del microscopio utilizado por Purkinje es evidente en el dibujo bruto (aunque hermoso) que presentó al Congreso de Médicos y Científicos en Praga, en 1837.






Varias décadas después, otras mejoras en la microscopía permitieron a Otto Friedrich Carl Dieters (1834-1863) producir la descripción más precisa de una célula nerviosa completa con axón y dendritas. Dieters se refirió al axón y las dendritas como el "cilindro del eje" y "procesos protoplasmáticos", respectivamente.



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Las neuronas motoras dibujadas por Otto Dieters
Está claro que Dieters fácilmente diferenció entre las dendritas y el axón, pero que no sabía si el axón surgía del cuerpo celular o del árbol dendrítico. Dieters no podía ver las ramas terminales "tremendamente delgadas" de las dendritas y, como muchos otros, dedujo de sus observaciones que debían fusionarse para formar una red continua. Dieters creía que las dendritas, pero no los axones, podrían fusionarse por anastomosis.

Otro desarrollo significativo, aparte de la evolución del microscopio, fue el uso de nuevos métodos para teñir el tejido nervioso para su examen. Gerlach, el principal defensor de la teoría reticular, había introducido el uso de cochinilla y gelatina, y luego de cloruro de oro, para teñir los tejidos para el examen microscópico. Aunque satisfactorios, estos métodos dejaban mucho que desear.


Camillo Golgi
Un método de tinción mucho más útil fue descubierto por Camillo Golgi (1843-1926). Golgi nació en Corteno, un pequeño pueblo de montaña en la provincia italiana de Brescia. Estudió medicina en la Universidad de Pavia, graduándose en 1865 con sólo 22 años. En 1872, Golgi obtuvo un puesto como médico residente en un hospital para enfermos crónicos, en un pequeño pueblo llamado Abbiategrasso, cerca de Milán.

Golgi descubrió su método mientras trabajaba a la luz de las velas en una de las cocinas del hospital, que había transformado en un laboratorio. El método, conocido ahora como tinción de Golgi o impregnación de Golgi, implica la fijación del tejido en bicromato de potasio y amoníaco, seguido por inmersión en una solución de nitrato de plata. La tinción de Golgi visualiza un pequeño número de células en una muestra de tejido; Las células se tiñen al azar y en su totalidad, de modo que las siluetas del cuerpo celular, el axón y las dendritas son claramente visibles.

A pesar de descubrir una técnica que tiñó las neuronas en su totalidad, Golgi pensó que sus observaciones confirmaban la hipótesis de que el sistema nervioso consistía en una red continua.

En 1873, Golgi publicó un documento que contenía descripciones del tejido del hipocampo y del cerebelo que había teñido usando su nueva técnica. En ese artículo, Golgi reafirma su creencia de que el sistema nervioso consiste en un retículo.


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Dibujos del hipocampo (izquierda) y el cerebelo (derecha) de Camillo Golgi


Golgi argumentó que, debido a que había tantas conexiones entre las células nerviosas que había visto en sus muestras, no se podía formular una ley para la transmisión entre las células nerviosas. El tejido nervioso pues, según Golgi, debería estar compuesto por una red continua más que por unidades discretas. También creía que sólo los axones se fusionaban por la anastomosis, y que eran la vía de entradas de los nutrientes desde los vasos sanguíneos a las neuronas.

Debido a su adhesión a la teoría reticular, Golgi adoptó un enfoque holístico de la función cerebral. Su creencia de que el sistema nervioso consistía en un retículo estaba en contra de la teoría de la localización de la función cerebral, que por entonces estaba ganando terreno, debido en gran parte al trabajo de los primeros neurólogos como Paul Broca.

Aunque resultó que Golgi estaba equivocado acerca de la teoría reticular, fue sin embargo un gran científico que hizo una serie de descubrimientos importantes, incluyendo la identificación de neuronas de proyección, interneuronas y órganos tendinosos. También elucidó la parte del ciclo de vida de Plasmodium que tiene lugar en los glóbulos rojos de la sangre, y correlacionó la fiebre y los escalofríos, que son síntomas de la enfermedad, con la liberación del microbio en la sangre. En 1898 identificó lo que él llamó el "aparato reticular interno". La identificación de esta estructura, que más tarde se llamaría el complejo de Golgi, fue un gran avance en la citología. El método de tinción que Golgi descubrió fue de vital importancia; Utilizando ese método, sentó las bases de la disciplina que ahora llamamos histología.


Cajal
Santiago Ramón y Cajal

Fue Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) quien sugirió que la neurona era la unidad anatómica y funcional del sistema nervioso, y es en gran parte debido a su trabajo que se llegó a aceptar la Doctrina de la Neurona. Cajal era un neuroanatomista excepcional y se acepta como el padre de la neurología moderna. Hizo muchas contribuciones a nuestra comprensión de la organización del sistema nervioso, muchas de los cuales fueron publicadas posteriormente en “Histología del sistema nervioso del hombre y de los vertebrados”.

Nacido en un pequeño pueblo del norte de España, Cajal estudió medicina en la Facultad de Medicina de Zaragoza, donde enseñó histología al graduarse. Cajal examinó el tejido nervioso de los embriones y notó que el axón y las dendritas brotaban del cuerpo celular de la neurona. Estos estudios embriológicos llevaron a Cajal a proporcionar la primera descripción del cono de crecimiento.

En 1887, Cajal empezó a usar el método de Golgi para teñir el tejido nervioso, y fue pionero en un método mejorado, que implicaba sumergir los tejidos en fijador y nitrato de plata una segunda vez. Una segunda inmersión tiñó los tejidos más profundamente, permitiendo que Cajal los estudiara con mayor detalle. En un laboratorio que estableció en su cocina, Cajal sistemáticamente examinó y describió el tejido nervioso de la mayoría de las regiones de los cerebros de varias especies.

Al hacerlo, fue un precursor de la neuroanatomía comparativa.

Cuando era joven, Cajal se había dedicado al dibujo y a la pintura, y se había vuelto muy hábil. Más adelante en su vida, utilizaría sus habilidades artísticas para producir diagramas muy detallados y muy precisos de sus observaciones del tejido nervioso, e iniciaría su propia revista en la que publicó sus hallazgos.


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Dibujo de células cerebelosas de Purkinje por Santiago Ramón y Cajal.


Debido a que Cajal escribió en español y estaba aislado de la comunidad científica, su trabajo recibió poca atención del resto de dicha comunidad. Quizás debido a este aislamiento, Cajal no estaba negativamente influenciado por las ideas de otros investigadores. Finalmente, sus resultados de investigación se traducirían, primero al francés, y luego al alemán.

En 1888, Cajal describió una sección del cerebelo del polluelo que él había teñido usando su método mejorado de Golgi. Observó que los axones en sus muestras terminaban en la materia gris, y que sus terminaciones eran consistentes con la ubicación de las dendritas. Esto llevó a Cajal a formular la ley de la polarización dinámica, según la cual la información fluye en una dirección a través de una neurona, desde las dendritas, a través del cuerpo celular, hasta el axón. Más importante aún, Cajal no encontró evidencia de un retículo, observando en cambio que cada "elemento nervioso [neurona] es una unidad absolutamente autónoma".


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Dibujo del cerebelo de pollo por Santiago Ramón y Cajal


Al año siguiente, cargado con muestras de tejido y su amado microscopio Zeiss, Cajal viajó a Berlín para asistir a una reunión de la Sociedad Anatómica Alemana. Fue en esta reunión que Cajal conoció a otros investigadores, algunos de los cuales estaban tan impresionados por su trabajo que abandonaron sus creencias en la teoría reticular.

Durante su discurso de aceptación del Premio Nobel de Fisiología, premiado conjuntamente con Golgi en 1906, Cajal reiteró que siempre había creído que el sistema nervioso consistía en elementos discretos.

Sólo en la última década del siglo XIX se introdujo la terminología que utilizamos hoy. El término "neurona" fue introducido en 1891. El cilindro del eje fue llamado entonces el axón por Rudolph von Kollicker, y los procesos protoplasmáticos fueron llamados "dendritas" por Wilhelm His. También durante esta década Sir Charles Sherrington describió la unión entre el nervio y el músculo, y lo llamó la "sinapsis" (de las raíces griegas syn, que significa "juntos", y haptein, que significa "cerrarse") en 1897.

La doctrina neuronal, entonces, tiene cuatro principios:

- La neurona es la unidad estructural y funcional fundamental del sistema nervioso
- Las neuronas son células discretas que no son continuas con otras células
- La neurona se compone de 3 partes: las dendritas, el axón y el cuerpo celular, y
- La información fluye a lo largo de la neurona en una dirección (de las dendritas al axón, a través del cuerpo celular).


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En el siglo XX, la invención del microscopio electrónico permitiría a los investigadores examinar el tejido nervioso con mayor detalle.

La micrografía electrónica de la izquierda muestra una unión neuromuscular; Los grupos de vesículas pueden verse claramente atrapados en la membrana presináptica, esperando que un potencial de acción llegue  a la terminal nerviosa de la neurona motora para que puedan fundirse con la membrana y liberar su carga de neurotransmisores en la hendidura sináptica.

syn2.JPGA la derecha, una micrografía electrónica de barrido muestra vesículas en el proceso de fusión con la membrana presináptica.

Esta nueva técnica llevó a un refinamiento de la Doctrina de la Neurona. Mediante microscopía electrónica, los investigadores pudieron ver que las células nerviosas usan no sólo las sinapsis químicas sino también las eléctricas (uniones de hueco). La técnica también revelaría la existencia de sinapsis axo-axónica y dendro-dendrítica. Los registros electrofisiológicos mostrarían que los canales iónicos con voltaje están presentes en las dendritas, y que los potenciales de acción podrían propagarse hacia atrás desde el cuerpo celular hasta las dendritas.

Incluso con estas técnicas avanzadas, los investigadores se han centrado en las partes del sistema nervioso que son fácilmente accesibles, como la unión neuromuscular. Las neuronas y las sinapsis en el cerebro son mucho más difíciles de estudiar que las de la periferia. Sin duda, son mucho más complejas que sus contrapartes periféricas.


Conociendo el trabajo de Ramón y Cajal 



Ilustraciones de Santiago Ramón y Cajal, neurocientífico español, del libro "The Beautiful Brain".
Desde la izquierda:
Un diagrama que sugiere cómo los ojos podrían transmitir una imagen unificada del mundo al cerebro;
 Una neurona purkinje del cerebelo humano;
 Y un diagrama que muestra el flujo de información a través del hipocampo en el cerebro.


El mes pasado, el Museo de Arte Weisman en Minneapolis abrió una exposición itinerante que es la primera dedicada exclusivamente a la obra de Ramón y Cajal.

Y las imágenes del libro recientemente publicado "The Beautiful Brain" ilustran lo que Ramón y Cajal ayudó a descubrir sobre el cerebro y el sistema nervioso y por qué su investigación tuvo tal efecto en el campo de la neurociencia.

Ramón y Cajal quería saber algo que nadie realmente entendía: ¿Cómo un impulso neural atravesaba el cerebro?. Tuvo que apoyarse en sus propias observaciones y razonamientos para responder a esta pregunta.



Células piramidales teñidas con el método de Golgi por Ramón y Cajal.

 
Las ilustraciones de Ramón y Cajal de dos teorías opuestas de la composición del cerebro:
 la teoría reticular, a la  izquierda y la doctrina neuronal que él propuso, a la derecha.


La teoría de Ramón y Cajal describía cómo la información fluía a través del cerebro. Las neuronas eran unidades individuales que hablaban entre sí de forma direccional, enviando información de apéndices largos llamados axones a dendritas ramificadas, sobre las brechas entre ellos.

No podía ver estas hendiduras en su microscopio, pero las llamaba sinapsis, y decía que si pensamos, aprendemos y formamos recuerdos en el cerebro, ese espacio mínimo era probablemente el lugar donde lo hacemos. Esto desafió la creencia en el momento en que la información se difundía en todas las direcciones sobre una red de neuronas.

Albert von Kölliker, un influyente científico alemán, se sorprendió y comenzó a traducir al alemán el trabajo de Ramón y Cajal, que estaba principalmente en español. A partir de ahí la doctrina de las neuronas se extendió, reemplazando a la teoría reticular predominante. Pero Ramón y Cajal murió antes de que alguien lo probara.




Tal vez una de las imágenes más emblemáticas de Ramón y Cajal es esta neurona piramidal en la corteza cerebral, la parte externa del cerebro que procesa nuestros sentidos, controla la actividad motora y nos ayuda a realizar funciones cerebrales superiores como la toma de decisiones. Algunas de estas neuronas son tan grandes que no se necesita un microscopio para verlas, a diferencia de la mayoría de las otras células cerebrales.





Ramón y Cajal estudió las neuronas de Purkinje con fervor, ilustrando su estructura en forma de árbol con gran detalle, como ésta del cerebelo. Los axones, como el indicado por un "a" en la imagen, pueden viajar largas distancias en el cuerpo, algunos desde la médula espinal hasta el dedo gordo del pie.





Algunos de sus dibujos tenían rasgos que se asemejaban al trabajo de otros artistas. En algunos, aparece la influencia de Vincent van Gogh. En este dibujo de las células gliales en la corteza cerebral de un hombre que sufría de parálisis, los tres núcleos (o nucleolos) en la esquina superior izquierda se asemejan a "El grito" de Edvard Munch.




Además de mostrar cómo la información fluía a través del cerebro , Ramón y Cajal mostró cómo se movía a través de todo el cuerpo, permitiendo a los seres humanos hacer cosas como el vómito y la tos. Cuando vomitamos, una señal es enviada desde el estómago irritado hasta el nervio vago en el cerebro y luego a la médula espinal, que excita las neuronas que nos hacen contraer el estómago y tener arcadas. Del mismo modo, un cosquilleo en la parte posterior de la garganta puede hacerte toser: La laringe envía una señal al nervio vago, luego al tronco encefálico y a la médula espinal, donde las neuronas indican a los músculos de nuestro pecho y abdomen que se contraigan.


Imagen por Berger, N. Kasthuri y J.W. Lichtman


 Esta imagen es una reconstrucción de una dendrita (roja) y sus axones (multicolores) en la parte externa del cerebro de un ratón. La dendrita tiene pequeñas espinas nudosas que sobresalen y reciben mensajes químicos que pasan del axón de otra neurona a través de la sinapsis, o hueco entre ellos, a través de los diminutos sacos blancos llamados vesículas. Hoy sabemos que las sinapsis son plásticas, lo que significa que pueden volverse más fuertes o más débiles con el uso o la negligencia. Esto nos permite pensar y aprender.


Esto es lo que Ramón y Cajal describió en su doctrina neuronal.


Otras imagenes de Ramón y Cajal


El laberinto del oído interno
 (cortesía del Instituto Cajal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas,
Madrid, © 2017 CSIC)



Dendritas de neuronas piramidales de la corteza cerebral de conejo
 (cortesía del Instituto Cajal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas,
Madrid, © 2017 CSIC)



Astrocitos en el hipocampo del cerebro humano
(cortesia del Instituto Cajal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas,
 Madrid, © 2017 CSIC)


Células en la retina del ojo
 (cortesía del Instituto Cajal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas,
Madrid, © 2017 CSIC)


Calices de Held en el núcleo del cuerpo trapezoidal
 (cortesía del Instituto Cajal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas,
Madrid, © 2017 CSIC)


Neuronas en el córtex cerebral
 (cortesía del Instituto Cajal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas,
Madrid, © 2017 CSIC)

Neuronas de Purkinje lesionadas del cerebelo
 (cortesia del Instituto Cajal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas,
 Madrid, © 2017 CSIC)




Cuatro autorretratos tomados por Cajal cuando tenía 34 años (1886)
 (cortesía del Instituto Cajal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas,
Madrid, © 2017 CSIC)




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