lunes, 12 de febrero de 2018

Lo que diferencia a los humanos de los chimpancés: ¿Diferente ADN o expresión diferente de genes similares?



¿Por qué somos tan diferentes de nuestros parientes más cercanos, los chimpancés? Es realmente desconcertante, ya que parece haber pocas diferencias en la composición del ADN entre nuestras dos especies. Pero los investigadores están analizando esas diferencias con la esperanza de identificar extensiones del genoma exclusivamente humanas que nos ayuden a explicar la gran diferencia existente con  nuestros parientes simios más cercanos.





El tamaño del cerebro de un chimpancé (derecha)
es considerablemente más pequeño que el de un cerebro humano.
 Probablemente múltiples tramos de ADN ayuden a determinarlo,
dicen los genetistas.


Los resultados de algunas investigaciones han informado sobre dos tramos diferentes de ADN exclusivamente humano que parecen contribuir a la construcción de cerebros más grandes, en particular del cerebro humano que es excepcionalmente grande. ¿Podrían  estos tramos diferentes ser la respuesta de  por qué somos tan distintos de esos animales que son genéticamente similares?


Circunvoluciones cerebrales


Un estudio publicado en el 2015, describió un gen que no solo desencadena el crecimiento del cerebro, sino que también puede estimular la creación de pliegues y fisuras en su superficie, que son características del cerebro de los primates y excepcionalmente prominentes en el cerebro humano. La existencia de estos pliegues aumenta el área de la superficie del cerebro, lo que deja más espacio para que aumente el número de neuronas que  procesan y almacenan la información.

Investigadores del Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética en Dresde, Alemania, buscaron un gen que es particularmente activo durante el desarrollo de la corteza cerebral, que ocurre muy temprano en la vida. La corteza es la delgada capa externa del tejido cerebral que se cree que es esencial para la memoria y la atención y, específicamente en los humanos, el pensamiento, el lenguaje y la conciencia.

Estos investigadores encontraron este gen al examinar la actividad del genoma en tejido fetal humano y compararlo con tejido de embriones de ratón, identificando 56 genes humanos de los que carecía el ratón. El más activo fue un gen llamado ARHGAP11B, una duplicación parcial de un gen existente. La duplicación surgió en algún momento después de que la evolución humana se separara de la línea que condujo a los chimpancés hace unos 5 o 6 millones de años. Es singularmente humano, y estaba presente en Neandertales  y Denisovanos, nuestros parientes desaparecidos, así como en humanos anatómicamente modernos, como el último Homo Sapiens. (Esos somos nosotros.)

Los investigadores descubrieron la función del gen  ARHGAP11B al insertarlo en ratones transgénicos. Duplicó las células madre corticales de los ratones y aumentó el tamaño de su cerebro.

Sorprendentemente, algunos de los cerebros de estos ratones transgénicos a los que se les había insertado el gen humano,  desarrollaron convoluciones. Pero los ratones no tienen convoluciones cerebrales. Estos pliegues desarrollados por los ratones transgénicos son más bien ondas, nada como las circunvoluciones en los cerebros de los primates, y mucho menos las complejas fisuras del cerebro humano. Pero es un gran descubrimiento.

 


No necesitas un gen específico para generar un gran cerebro


Sin embargo, tenemos que tener  en cuenta lo que Marta Florio, la primera autora del artículo sobre el Gen ARHGAP11B, expuso a una revista americana:  es probable que este gen sea solo uno de los muchos cambios genéticos que hacen que la cognición humana sea especial. No es el único gen necesario para la obtención de un gran y complejo cerebro como el humano.

El hecho es que no se necesita un gen específico para formar un gran cerebro. De hecho, es bastante probable que gran parte del ADN que es crucial para hacer un gran cerebro humano no se presente en forma de genes.

Usamos "gen" en el sentido en que generalmente lo decimos, un tramo de ADN que codifica una proteína. Eso es lo que hace ARHGAP11B. Pero los genes que codifican proteínas ocupan solo un minúsculo uno por ciento del genoma humano. El resto, anteriormente conocido como ADN basura, ahora llamado ADN no codificante, sigue siendo en gran parte un misterio. Pero está claro que gran parte de este ADN, tal vez la mayor parte, se dedica a regular lo que hacen los genes, definiendo, por tanto,  la acción genética.

Por eso, hace cuarenta años, los científicos propusieron que las diferencias fenotípicas entre humanos y chimpancés, esas diferencias dramáticas en la apariencia y el comportamiento, se debían en gran medida a que los humanos desarrollamos nuevas formas de regular nuestros genes en común.

Desde entonces, los investigadores han identificado muchas regiones de ADN que no han cambiado mucho durante la evolución de los mamíferos, incluidos la mayoría de los primates, pero que han experimentado un proceso acelerado de  variaciones, muchas de ellas después de que los primeros homínidos iniciales divergieran de la línea evolutiva que conducía a los chimpancés.

Estos bits de ADN se denominan Regiones Humanas Aceleradas (HAR en ingles). Estas regiones están presentes en nuestros parientes ya desaparecidos, los neandertales y los denisovanos, así como en nosotros, los Homo Sapiens.

Las HARs se encuentran principalmente en ADN no codificante. Eso ha hecho que sus funciones no sean tan fáciles de entender. Pero hay pistas sobre lo que hacen, porque estas regiones  no se dispersan aleatoriamente en el genoma. Las HARs se agrupan cerca de los genes que son importantes en la vida más temprana y en el sistema nervioso central, el cerebro y la médula espinal. Lo cual tiene perfecto sentido, porque nuestros cerebros grandes, y el comportamiento que se origina allí, es lo que nos hace tan diferentes de otras criaturas.

Un artículo publicado por  investigadores de la Universidad de Duke lo ha respaldado, mostrando que la región de ADN no codificante, identificada como HARE5, regula un gen que figura en el desarrollo y el tamaño del cerebro. (La E en HARE significa que esta región de ADN, acelerada en la evolución humana, actúa como un potenciador, lo que significa que mejora la transcripción de un gen asociado).

Aunque, realmente, lo que hace no es mejorar la actuación del gen ARHGAP11B. Nada es tan simple y ordenado en lo que respecta al cerebro humano. Mas bien, regula un gen completamente diferente, uno que tiene un nombre mucho más cautivador: Frizzled-8, Fzd8 para abreviar. Y es que, según la investigadora Marta Florio, son muchos los cambios genéticos han moldeado el cerebro humano.

El HARE5 humano difiere de la versión equivalente de chimpancé en solo unos pocos lugares, pero las consecuencias son enormes. Literalmente enormes. Los investigadores demostraron lo enorme que es  al fabricar ratones transgénicos, algunos con la versión chimpancé de HARE5 y otros con nuestra versión, la humana.


La versión humana de una secuencia de ADN llamada HARE5
 (insertada en este embrión de ratón)
 activó un gen que es importante para el desarrollo del cerebro.
 (La actividad de los genes está teñida de azul).


Los embriones de ratón con HARE5 humano tenían cerebros un  doce por ciento más grandes que los ratones con HARE5 de chimpancé. Los cerebros de ratones comienzan a desarrollarse en el noveno día de vida embrionaria. El HARE5 humano parece hacer que las células madre que se convertirán en neuronas se dividan más rápido y, por lo tanto, genera una mayor cantidad de ellas.



Los embriones de ratones transgénicos revelan que la versión humana (Hs, derecha) de HARE5
conduce a un desarrollo del cerebro más temprano y más grande que la versión de chimpancé


En este trabajo es la primera vez que los científicos muestran una conexión directa entre un HAR y un resultado funcional, en este caso un efecto dramático en la anatomía del cerebro.

"Creo que HARE5 es solo la punta del iceberg", comentó uno de los investigadores. "Es probablemente una de las muchas regiones que explica por qué nuestros cerebros son más grandes que los de los chimpancés".


¿Un gran cerebro cambia el comportamiento?


Aún más interesante es la cuestión de si el gen ARHGAP11B y el HARE5 humano hacen algo más que agrandar el cerebro. ¿Producen también cambios en el comportamiento y la cognición? ¿Sus cerebros más grandes harán que estos ratones transgénicos sean más inteligentes? Las pruebas están en marcha para verificarlo en el laboratorio.

Lo cual plantea una pregunta ética. ¿Podrían, o deberían los descubrimientos como este ser usados ​​eventualmente para crear animales más inteligentes?. Ruth Faden, especialista en bioética del Centro Johns Hopkins, cree que es una preocupación exagerada. Aún así, dijo, "es inquietante la perspectiva de, más o menos, derribar las barreras entre los seres humanos y otras especies no humanas en formas que realmente amenazan nuestra percepción de nosotros mismos como algo sumamente especial ".


Basado en:

jueves, 1 de febrero de 2018

Olor y sabor






La relación entre los sentidos del gusto y el olfato nos ayudan a interpretar el mundo químico, aunque a la mayoría de nosotros nos resulte poco intuitivo.




El gusto y el olfato son sentidos diferenciados, con sus propios órganos receptores, pero están íntimamente entrelazados. Los sabores, generados por los químicos en los alimentos, son detectados por las papilas gustativas, que consisten en células sensoriales especiales. Cuando se estimulan, estas células envían señales a áreas específicas del cerebro, lo que nos hace conscientes de la percepción del gusto. Del mismo modo, las células especializadas en la nariz recogen odorantes, moléculas de olor en el aire. Los olores estimulan las proteínas receptoras que se encuentran en cilios similares a pelos en las puntas de las células sensoriales, un proceso que inicia una respuesta neural. En definitiva, los mensajes sobre el gusto y el olfato convergen, lo que nos permite detectar los sabores de los alimentos.





Diagram of taste and smell receptors
Diagrama de receptores de olor y sabor
Imagen: Lydia V. Kibiuk, Baltimore, MD; Devon Stuart, Harrisburg, PA




Así como el sonido es la percepción de los cambios en la presión del aire y la vista, la percepción de la luz, los sabores y los olores son la percepción de los químicos en el aire o en nuestros alimentos. Estos sentidos de olor y sabor, separados con sus propios órganos receptores, están, sin embargo, íntimamente entrelazados.

Esta estrecha relación es más evidente en la forma en que percibimos los sabores de los alimentos. Como puede atestiguar cualquier persona con un resfriado, la comida "sabe" diferente cuando el sentido del olfato se ve afectado. En realidad, lo que realmente se está viendo afectado es el sabor de la comida o la combinación de sabor y olor. Eso se debe a que solo se detectan los sabores, no los olores de los alimentos. El gusto en sí mismo se centra en distinguir los productos químicos que tienen un sabor dulce, salado, agrio, amargo o umami. Sin embargo, las interacciones entre los sentidos del gusto y el olfato realzan nuestras percepciones de los alimentos que comemos.

Los sabores, los químicos en los alimentos, son detectados por las papilas gustativas, estructuras especiales incrustadas dentro de pequeñas protuberancias en la lengua llamadas papilas. Otras papilas gustativas se encuentran en la parte posterior de la boca y en el paladar. Cada persona tiene entre 5,000 y 10,000 papilas gustativas. Cada papila gustativa consta de 50 a 100 células sensoriales especializadas, que son estimuladas por estimulantes tales como azúcares, sales o ácidos. Cuando se estimulan las células sensoriales, hacen que las señales se transfieran a los extremos de las fibras nerviosas, que envían impulsos a lo largo de los nervios craneales a las regiones del sabor en el tronco encefálico. A partir de aquí, los impulsos se transmiten al tálamo y a un área específica de la corteza cerebral, lo que nos hace conscientes de la percepción del gusto.

Las moléculas de olor en el aire, llamadas odorizantes, son detectadas por neuronas sensoriales especializadas ubicadas en un pequeño parche de membrana mucosa que recubre el techo de la nariz. Los axones de estas células sensoriales pasan a través de perforaciones en el hueso que los recubre y entran en dos bulbos olfatorios alargados que yacen en la parte inferior del lóbulo frontal del cerebro.

Los olores estimulan las proteínas receptoras que se encuentran en cilios similares a pelos en las puntas de las células sensoriales, un proceso que inicia una respuesta neural. Un odorante actúa sobre más de un receptor, pero lo hace en diversos grados. De manera similar, un solo receptor interactúa con más de un odorante diferente, aunque también en diversos grados. Por lo tanto, cada odorante tiene su propio patrón de actividad, que se establece en las neuronas sensoriales. Este patrón de actividad se envía al bulbo olfatorio, donde otras neuronas se activan para formar un mapa espacial del olor. La actividad neuronal creada por esta estimulación pasa a la corteza olfativa primaria en la parte posterior del área inferior, u orbital, del lóbulo frontal. La información olfativa luego pasa a las partes adyacentes de la corteza orbital, donde la combinación de información de olor y sabor ayuda a crear la percepción del sabor.



jueves, 25 de enero de 2018

Apuntes sobre los agentes nerviosos




Los efectos a largo plazo de los agentes nerviosos siguen siendo inciertos, pero con los antídotos correctos, estos venenos ya no son una sentencia de muerte inmediata. 

Los primeros agentes nerviosos fueron sintetizados por los químicos alemanes en la víspera de la Segunda Guerra Mundial, y provocan la muerte  al unirse a la acetilcolinesterasa (AChE), una enzima que degrada el neurotransmisor Acetilcolina cuando se libera en las sinapsis. Una de las enzimas más eficientes conocidas, una sola molécula de AChE puede hidrolizar 600,000 moléculas de acetilcolina por minuto, según Palmer Taylor, un farmacólogo de la Universidad de California en San Diego.

Los agentes nerviosos se insertan directamente en el centro activo de la AChE, una pequeña cavidad. Una vez que una molécula del agente nervioso  se introduce allí y forma un enlace covalente con un grupo de serína, el AChE "no puede escupirlo". A medida que la acetilcolina se acumula en las sinapsis, las víctimas pueden desarrollar síntomas que asemejan a la Corea de Huntington, y bailar desaforadamente antes de colapsar y retorcerse en convulsiones letales. Sin intervención médica, el cerebro deja de enviar señales a los músculos que controlan la respiración y mantienen la presión sanguínea: las víctimas caen en coma y dejan de respirar. Cantidades tan pequeñas como unos miligramos  del agente nervioso son suficientes para producir la muerte del sujeto.

Para tratar las convulsiones, se necesita la aplicación inmediata de un anticonvulsivo. El Diazepam ha sido el tratamiento primario de elección, pero los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de EE. UU. han respaldado un compuesto de acción más rápida, el Midazolam. " Es una droga mucho mejor en situaciones de alto riesgo", según el neurocientífico del NIH, David Jett.

Otros remedios apuntan a la causa de los síntomas: el exceso de acetilcolina en las sinapsis entre neuronas. La atropina, un compuesto derivado de la planta de belladona, bloquea los receptores de acetilcolina y puede ser utilizado como tratamiento. Pero no puede evitar que las moléculas de agentes nerviosos que se adhieran a la enzima acetilcolinesterasa AChE formen un enlace irreversible con la enzima, un proceso medido por el tiempo de "envejecimiento" del agente nervioso. El tiempo de envejecimiento del Sarin es de aproximadamente 5 horas. El Soman, un agente nervioso menos conocido pero muy temido, tiene un tiempo de envejecimiento de solo 2 minutos.

Dando solo atropina, los sobrevivientes a la exposición a  agentes nerviosos necesitan semanas para que sus cuerpos regeneren la cantidad necesaria de AChE. Es por eso que las víctimas necesitan recibir, tan pronto como sea posible después de la exposición, lo que  llaman el "verdadero antídoto" para el envenenamiento por agentes neurotóxicos: las oximas. Al igual que una palanca molecular, estos productos químicos eliminan el agente nervioso de la enzima AChE antes de que el complejo envejezca.

Inicialmente, la única oxima aprobada para su uso contra los agentes nerviosos era el cloruro de 2-pralidoxima, o 2-PAM. Pero debido a que el 2-PAM tiene carga positiva, poco o nada cruza la barrera hematoencefálica. Esa es una desventaja seria, porque los agentes nerviosos ejercen sus efectos más destructivos en el cerebro.

En 2001, Taylor se asoció con K. Barry Sharpless, un químico del Instituto de Investigación Scripps en San Diego, para crear oximas que pierden protones para convertirse en un compuesto neutro; los compuestos se examinaron para detectar aquellos que, una vez dentro del cerebro, pueden recuperar una carga positiva, lo que es crucial para que funcione el engaño molecular. El equipo de Taylor ha probado a su favorito en ratones y en macacos expuestos al sarín, y en agosto de 2017 informó que dicho compuesto revertía rápidamente los síntomas.

Un grupo dirigido por Carlos Valdez, un químico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, también ha desarrollado una oxima neutra potente que ingresa fácilmente en el cerebro de los conejillos de indias. Y Janice Chambers, bióloga de la Universidad Estatal de Mississippi en Starkville, junto con su difunto esposo, Howard Chambers, crearon una oxima novedosa con un grupo lipófilo que debería ayudarlo a atravesar la barrera hematoencefálica. En los ensayos de laboratorio, alivió los síntomas en ratas expuestas a sustitutos del agente nervioso y está siendo sometido a pruebas adicionales.



Un abrazo letal



Los agentes nerviosos se unen a la acetilcolinesterasa (AChE), una enzima que controla los niveles del neurotransmisor acetilcolina. El "tiempo de envejecimiento" de cada agente, enumerado aquí, indica cuánto tiempo tarda el vínculo en volverse irreversible.



SOMAN…..2 minutos


Soman-3D-balls-by-AHRLS-2011.png
(metilfosfonofluoridato de O-pinacolilo)

La toma de un medicamento bloqueador de AChE antes de la exposición al Soman aumenta las probabilidades de sobrevivir  a  su acelerado tiempo de envejecimiento.






SARIN….5 horas


Sarin-3D-balls-by-AHRLS-2012.png
(metilfosfonofluoridato de O-isopropilo)



Las personas sometidas a su exposición  tendrían una breve ventana después de la exposición para ser tratadas con la oxima, que expulsa al agente nervioso de su enlace con la enzima AChE antes de que se complete el envejecimiento.









VX…....36.5 horas


VX-3D-balls.png
(S-[2-(Diisopropilamino)etil]metilfosfonotioato de O-etilo)

Abreviatura de "agente venenoso X", VX es el agente nervioso más tóxico: varios miligramos absorbidos a través de la piel son una dosis letal.









TABUN…….46 horas

Tabun-3D-balls.png
(Etil N,N-dimetilfosforamidocianato)







Un químico alemán descubrió por casualidad la letalidad del Tabun en los humanos en 1936. Este agente neurotóxico fue ampliamente utilizado durante la Guerra Irán-Iraq.













Basado en: http://www.sciencemag.org/news/2018/01/how-defeat-nerve-agent?utm_campaign=news_daily_2018-01-05&et_rid=181558191&et_cid=1773790





domingo, 14 de enero de 2018

La neurociencia que nos sorprenderá en 2018


"El polvo neural", la escritura desde el pensamiento y los mini cerebros serán tres de los temas neurocientíficos que van a  generar un mayor interés académico y corporativo en este año.


Las tecnologías para detectar la actividad cerebral -lo podríamos llamar lectura mental-, así como para cambiarla, avanzan tan rápido que "está ocurriendo un poco de fiebre del oro, tanto en el aspecto académico como desde el lado corporativo", según expresó Michel Maharbiz de la Universidad de California, Berkeley, en una conferencia reciente en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. A continuación se describen tres áreas de neurociencia en rápida expansión que pueden dar anuncios espectaculares en 2018:


Polvo neural / Neurogranos




"Neural Dust" Could Enable a Fitbit for the Nervous System
Imagen: Alexander Shirokov/Thinkstock (MARS)


Como sea que llamemos a estos dispositivos electrónicos, son realmente muy pequeños. Los resultados del programa de ingeniería neuronal de DARPA, que tiene como objetivo desarrollar un implante cerebral que pueda comunicarse digitalmente con el mundo exterior, se esperan con impaciencia en el ámbito científico. El primer paso es detectar la señalización electroquímica de las neuronas (según DARPA, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa del Pentágono, la detección simultánea de  1 millón de neuronas a la vez sería un buen comienzo). Para hacer eso, los científicos de la Universidad de Brown están desarrollando "neurogeles" del tamaño de granos de sal que contienen un electrodo para detectar destellos neuronales y para “apagar” las neuronas, todo a través de una antena de radiofrecuencia.

El "polvo neural" de Maharbiz ya puede hacer la primera parte. Los pequeños dispositivos inalámbricos pueden detectar qué están haciendo las neuronas, según informaron él y sus colegas en un estudio realizado en ratas en 2016. (El científico principal del estudio se mudó recientemente a Neuralink, una de las empresas punteras de tecnología cerebral). Ahora Maharbiz y su equipo también están trabajando para que el polvo neural reciba señales externas y provoque que las neuronas se disparen de ciertas maneras. Tal "estímulo" sería "el estimulador [nervioso] más pequeño jamás construido", según Maharbiz. Eventualmente, los científicos esperan descubrir el código neuronal para, por ejemplo, caminar, permitiéndoles transmitir el código preciso necesario para que un paciente paralítico pueda volver a caminar. 

También están intentando descifrar el código neuronal para comprender el lenguaje hablado, lo que podría llevar a la generación de señales externas que provocaran que las personas pudieran escuchar voces internas. Esta tecnología podría plantear serios problemas éticos que, según los expertos, serán abundantes conforme se desarrolle esta rama de la neurociencia.


Generar escritura mediante el pensamiento.


Brain–Computer Interface Allows Speediest Typing to Date
Imagen: Courtesy Stanford University

Elon Musk no es el único multimillonario interesado en nuestro cerebro. Facebook está avanzando a toda máquina en su programa de "discurso silencioso", según el neurocientífico Mark Chevillet, quien lidera el proyecto. Pocas personas usan asistentes de voz en el trabajo: "A las personas no les gusta utilizarlo [decir en voz alta lo que quieren escribir] ". Pero "¿y si se pudiera escribir directamente desde el cerebro?" Las primeras pruebas "nos dicen que esto no es ciencia ficción".  "Hay una señal allí [del cerebro] que se puede aprovechar". 

Building 8, el centro de tecnología avanzada de Facebook donde se ubica el proyecto de escribir con el  pensamiento, funciona en ciclos de dos años; Chevillet, que trabajaba en el  Johns Hopkins, se unió a este proyecto en el 2016, por lo que 2018 podría dar indicios de que el proyecto avanza hacia convertir los pensamientos en texto, a las esperadas 100 palabras por minuto, unas 20 veces más rápido que las interfaces cerebro-máquina actuales.


Mini cerebros


The Beauty of "Mini Brains"
Imagen: Courtesy of Thomas Hartung and David Pamies Johns Hopkins Center for Alternatives to Animal Testing and Organome, LLC, and Paula Barreras and Carlos Pardo Division of Neuroimmunology and Neurological Infections, Johns Hopkins Hospital

 
Los organoides tridimensionales que los científicos crean a partir de células madre humanas desarrollan neuronas funcionales, distintas capas de corteza y otras arquitecturas que imitan  a un cerebro de tamaño completo. La tecnología para fabricar organoides cerebrales avanza tan rápido (solo este mes, los investigadores lograron iniciar el proceso y crear organoides cerebrales en unas pocas semanas, en lugar de los meses que costaba hasta hace poco) que podemos esperar que el 2018 ofrezca versiones cada vez más realistas. Mini cerebros obtenidos  a partir de células madre de pacientes con trastornos psiquiátricos hereditarios como la esquizofrenia prometen revelar qué es lo que falla en el desarrollo del cerebro de esos pacientes.

Pero lo que realmente se anticipa son dos desarrollos técnicos. Una es proporcionar a los organoides un suministro de sangre, ya que el laboratorio de George Church en Harvard dice que ya lo ha conseguido, pero que aún no ha publicado los resultados. La "vascularización" podría permitir que los organoides crezcan mucho más que su diámetro actual de un cuarto de pulgada, tal vez abandonando el "mini" y convirtiéndose en un cerebro en pleno crecimiento que se desarrolla  en una placa de Petri. El otro avance que recibe mucha atención en círculos de organoides cerebrales es dar una entrada sensorial, probablemente a través de una retina, como se rumorea que un laboratorio está desarrollando. Eso supondría, en teoría, que las pequeñas entidades pudieran acumular.... experiencias.

La neurociencia se está poniendo realmente interesante.


Basado en: