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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