domingo, 30 de diciembre de 2018

Detallado un circuito neuronal que conecta directamente el intestino al cerebro.




Sensor intestinal: las neuronas sensoriales en el interior del intestino
 informan al cerebro  a través del nervio vago (amarillo)  sobre cómo funcionan
nuestros estómagos e intestinos.
 Imagen: NICOLLE R. FULLER



El intestino humano está revestido por más de 100 millones de células nerviosas, por lo que prácticamente es un cerebro en sí mismo. Y, de hecho, el intestino en realidad habla con el cerebro y libera hormonas en el torrente sanguíneo que, en el transcurso de unos 10 minutos, nos dicen cuánta hambre se tiene o que no se  debería haber comido una pizza entera. Pero un nuevo estudio revela que el intestino tiene una conexión mucho más directa con el cerebro a través de un circuito neural que le permite transmitir señales en solo segundos. Los hallazgos podrían conducir a nuevos tratamientos para la obesidad, los trastornos alimentarios e incluso la depresión y el autismo, todos los cuales se han relacionado con un mal funcionamiento del intestino.

En 2010, el neurocientífico Diego Bohórquez de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, hizo un descubrimiento sorprendente al mirar a través de su microscopio electrónico. Las células enteroendocrinas, que cubren el revestimiento del intestino y producen hormonas que estimulan la digestión y suprimen el hambre, tienen pedunculos que se asemejan a las sinapsis que las neuronas utilizan para comunicarse entre sí. Bohórquez sabía que las células enteroendocrinas podían enviar mensajes hormonales al sistema nervioso central, pero también se preguntaba si podrían "hablar" al cerebro usando señales eléctricas, en la forma en que lo hacen las neuronas. Si es así, tendrían que enviar las señales a través del nervio vago, que viaja desde el intestino hasta el tronco cerebral.

Él y sus colegas inyectaron en el colon de los ratones de laboratorio un virus de la rabia modificado para que fuera fluorescente, y que se transmite a través de las sinapsis neuronales, y esperaron a que las células enteroendocrinas y sus colaterales asociadas se iluminaran. Aquellas células colaterales resultaron ser neuronas vagales, según describen  los investigadores en la revista científica Science.



Replicando el resultado en una placa de Petri, las células enteroendocrinas detectaron a  las neuronas vagales y formaron conexiones sinápticas entre sí. Las células enteroendocrinas incluso excretaron glutamato, un neurotransmisor involucrado en el olfato y el gusto, al que las neuronas vagales detectaron en 100 milisegundos, más rápido que un parpadeo.

Eso es mucho más rápido de lo  que las hormonas pueden viajar desde el intestino al cerebro a través del torrente sanguíneo, según Bohórquez. La lentitud de las hormonas puede ser responsable del porque no funcionan  muchos supresores del apetito. El siguiente paso es estudiar si esta señalización cerebral proporciona al cerebro información importante sobre los nutrientes y el valor calórico de los alimentos que comemos.

Hay algunas ventajas obvias en la señalización ultrarrápida del cerebro, como la detección de toxinas y venenos, pero puede haber otros beneficios que se obtengan de  detectar el contenido de nuestras entrañas en tiempo real. Sea lo que sea, es muy probable que los beneficios sean ancestrales: las células sensoriales intestinales se remontan a uno de los primeros organismos multicelulares, una criatura plana llamada Trichoplax adhaerens, que surgió hace aproximadamente 600 millones de años.

En un estudio separado,  publicado en la revista científica Cell, se encuentran algunas claves adicionales sobre cómo las células sensoriales intestinales nos benefician a día de hoy. Los investigadores utilizaron láseres para estimular las neuronas sensoriales que inervan el intestino en ratones, lo que produjo sensaciones gratificantes en los roedores y estos  trabajaron arduamente para repetir dichas sensaciones una y otra vez. Los investigadores hallaron que la estimulación con láser también aumentaba los niveles de un neurotransmisor llamado dopamina que estimula el estado de ánimo en los cerebros de los roedores.



Combinados, los dos documentos ayudan a explicar por qué la estimulación del nervio vago con corriente eléctrica puede tratar la depresión severa en las personas, según  Ivan de Araujo, neurocientífico de la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai en la ciudad de Nueva York, quien dirigió el estudio publicado en Cell. Los resultados también pueden explicar por qué, en un nivel básico, comer nos hace sentir bien. "Aunque estas neuronas están fuera del cerebro, se ajustan perfectamente a la definición de neuronas de recompensa" que impulsan la motivación y aumentan el placer.

Basado en:


lunes, 17 de diciembre de 2018

Patrones eléctricos en “minicerebros” de laboratorio




Los 'mini cerebros' crecidos en laboratorio producen patrones eléctricos que se parecen a los de los bebés prematuros


Estas estructuras podrían ayudar a los investigadores a estudiar las primeras etapas de los trastornos del desarrollo cerebral, incluidas algunas enfermedades mentales de etiología actualmente desconocida




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Un corte transversal de un organoide cerebral muestra neuronas corticales más maduras
 en el borde exterior de la estructura. Imagen: Muotri Lab / UC San Diego


Los "mini cerebros" cultivados en una placa de Petri han producido espontáneamente ondas cerebrales similares a las de los humanos por primera vez, y los patrones eléctricos se parecen a los que muestran los bebés prematuros.

Este descubrimiento podría ayudar a los científicos a estudiar el desarrollo temprano del cerebro. La investigación en esta área ha sido lenta, en parte porque es difícil obtener muestras de tejido fetal para el análisis y es casi imposible examinar un feto en el útero.

Muchos investigadores están entusiasmados con la promesa de estos "organoides" que, cuando se cultivan como cultivos 3D, pueden desarrollar algunas de las estructuras complejas que se ven en los cerebros. Pero la tecnología también plantea preguntas sobre la ética de crear órganos en miniatura que podrían desarrollar una forma de consciencia.

Un equipo de investigadores liderado por el neurocientífico Alysson Muotri de la Universidad de California, indujo a células madre humanas para que formaran tejido de la corteza cerebral, una región del cerebro que controla la cognición e interpreta la información sensorial. Durante 10 meses, cultivaron en el laboratorio  cientos de organoides cerebrales y analizaron células individuales para confirmar que expresaban la misma colección de genes que se expresan en los cerebros humanos en desarrollo típicos. 



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Patrones sorprendentes



Muotri y sus colaboradores registraron continuamente los patrones eléctricos, o actividad de electroencefalograma (EEG), a través de la superficie de los mini cerebros. A los seis meses, los organoides se disparaban a una velocidad mayor que otros organoides cerebrales creados anteriormente, para sorpresa de los investigadores.

Los patrones de EEG también fueron inesperados. En los cerebros maduros, las neuronas forman redes sincronizadas que disparan con ritmos predecibles. Pero los organoides mostraban patrones irregulares de EEG que se asemejaban a los estallidos caóticos de actividad eléctrica sincronizada observados en los cerebros en desarrollo. Cuando los investigadores compararon estos ritmos con los EEG de los bebés prematuros, encontraron que los patrones de los organoides imitaban a los de los bebés nacidos entre las 25 y las 39 semanas posteriores a la concepción.



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EEG Neonatal

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Electroencefalografía (EEG). Imagen: Clinica Mayo


El desarrollo de redes funcionales del cerebro humano es un proceso guiado por programas genéticos y moleculares, conformados por la diversidad celular emergente. Las redes neurales neonatales comparten muchas características con los cerebros adultos, pese a  las diferencias estructurales fundamentales.

A pesar de que las etapas cronológicas de la formación de la red cortical humana todavía no se entienden bien, se supone que las funciones cognitivas emergentes durante la infancia son el resultado de la relación entre diferentes regiones cerebrales y ciertas  señales ambientales. Además, el desarrollo en el útero es vital para el establecimiento de circuitos neuronales y el funcionamiento saludable del cerebro. El segundo y tercer trimestre de la gestación humana es el periodo en que  se forma la red corticotalámica a través de conexiones transitorias de las neuronas GABAérgicas de la subplaca interna del embrión y es también el periodo de la aparición de actividad de red sincronizada.

Los resultados de esta investigación muestran que el desarrollo de la actividad de red estructurada en el neocortex humano puede seguir una programación genética estable, incluso en ausencia de entradas externas o subcorticales. Este enfoque ofrece nuevas oportunidades para investigar y posiblemente modificar  el papel de la actividad de la red en el desarrollo de la corteza cerebral humana.

Los organoides están lejos de ser cerebros humanos reales. No contienen todos los tipos de células que se encuentran en la corteza cerebral y no se conectan con otras regiones del cerebro.

El grupo de investigación de Motri ahora está trabajando para cultivar los organoides durante más tiempo para ver si continuarán madurando. Los investigadores también planean explorar si estas estructuras funcionan como una corteza normal conectándolas a organoides que simulan otras partes del cerebro o del cuerpo.


Comparación de ondas cerebrales



Aunque el trabajo es preliminar, las similitudes con los patrones de EEG en los bebés prematuros sugieren que los organoides podrían eventualmente ser útiles para estudiar trastornos del desarrollo cerebral, como la epilepsia o el autismo.

Asimismo,  estudiar cómo se originan los patrones de EEG en un organoide podría ayudar a los investigadores a comprender cómo surgen los ritmos de EEG en un cerebro humano en desarrollo, así como para identificar genes que son esenciales para la aparición de estos patrones.

Pero no todos los científicos están de acuerdo. El hecho de que las ondas cerebrales de los organoides se parezcan a las de los bebés prematuros no significa que estén haciendo lo mismo, según Sampsa Vanhatalo, neurofisióloga de la Universidad de Helsinki, que desarrolló la base de datos de EEG infantiles con la que Muotri comparó las mediciones de su organoides.

Y demostrar que son lo mismo será difícil porque los investigadores saben muy poco acerca de cómo están conectados los cerebros de los bebés. A los organoides les pueden faltar componentes clave que impulsan los patrones de EEG en cerebros reales.



Orígenes de la consciencia


Además, el proyecto plantea cuestiones éticas sobre si los organoides podrían desarrollar la consciencia, según el neurocientífico Christof Koch, presidente y director científico del Allen Institute for Brain Science. "Cuanto más se acercan al bebé prematuro, más preocupación se genera". Pero reconoce que podría ser difícil saber cuándo un organoide está consciente, ya que los investigadores ni siquiera están de acuerdo en cómo medir la consciencia en los adultos o cuándo aparece en los bebés.

Muotri dice que consideraría detener el proyecto si hubiera evidencia de que los organoides se habían vuelto conscientes de sí mismos, pero en este momento son muy primitivos. "Es una zona muy gris en esta etapa, y no creo que nadie tenga una visión clara del potencial de esto".

Basado en:
https://www.biorxiv.org/content/early/2018/09/03/358622

domingo, 9 de diciembre de 2018

Cómo el cerebro selecciona a qué prestar atención



Este conocimiento podría, entre otras cosas, mejorar los tratamientos para los humanos afectados por el trastorno por déficit de atención / hiperactividad.


Los animales son capaces de comportamientos complejos y funciones cognitivas. ¿Qué cálculos neurales fundamentales subyacen a ellos y cómo se implementan estos cálculos en los circuitos cerebrales? Una nueva investigación intenta responder a estas preguntas.

Al estudiar la lechuza común, los científicos de la Universidad Johns Hopkins creen que han dado un paso importante para resolver el misterio de cómo el cerebro elige lo que más merece la atención.

El hallazgo, publicado en  la revista Cell Reports, probablemente se aplique a todos los animales, incluidos los humanos, y ofrece una nueva perspectiva de lo que está mal en los cerebros de las personas con trastorno por déficit de atención / hiperactividad.

Según  el coautor Shreesh Mysore, neurocientífico de la Universidad Johns Hopkins. "Hay un millón de cosas allá afuera en el mundo bombardeando nuestros ojos, nuestros oídos, nuestra piel y otros órganos sensoriales. De todas esas cosas, ¿a qué información en particular debemos prestar atención en cualquier momento para definir nuestro comportamiento? ".


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Aunque los científicos han estudiado el cerebro de los animales durante décadas, no se ha encontrado una buena respuesta a la pregunta de cómo el cerebro decide a qué prestar atención. Los investigadores decidieron, en este experimento, investigar  el mesencéfalo, una parte evolutivamente más antigua del cerebro que se encuentra en gran número de animales, desde peces y mamíferos hasta aves y humanos.

Los investigadores eligieron búhos como sujeto de estudio, porque no solo tienen una visión y audición agudas, sino que, como todas las aves, tienen un mesencéfalo organizado de una manera que hace que sea relativamente fácil rastrear la actividad de neuronas específicas.

En la investigación se seleccionaron a 15 búhos, a los que se mostraron  estímulos visuales en un monitor, mientras se medía la actividad de neuronas individuales en los mesencéfalos.

Lo que encontraron fue desconcertante e inesperado. Aunque las neuronas individuales generalmente codifican el espacio visual topográficamente, lo que significa que las neuronas vecinas codifican los espacios para las partes vecinas del mundo, aquí encontraron neuronas individuales que respondían a varias zonas de ubicaciones, a veces muy alejadas.



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Para descubrir por qué estas neuronas duplicaban o incluso triplicaban las localizaciones, el autor principal Nagaraj Mahajan, diseñó un modelo. Descubrió que si las neuronas necesitaban señalar la ubicación más importante del mundo sin importar de dónde provenía la información visual, la única forma posible de codificar el espacio, mientras se mantenían controlados los costos metabólicos y de cableado, era tener menos neuronas que ubicaciones en el mundo, con cada neurona codificando múltiples ubicaciones dispares. El cerebro del búho realmente coincidía casi a la perfección con estas predicciones computacionales.


Cuando contaron las neuronas del mesencéfalo, había un 40 por ciento menos de neuronas que de  posibles ubicaciones. Y las ubicaciones que las neuronas individuales codificaron estaban organizadas según un principio combinatorio, muy parecido a una solución de un Sudoku.




El  enfoque central es comprender cómo el cerebro implementa la selección de una alternativa entre muchas, para permitir que los animales presten atención a la información más importante en cualquier momento. Esta capacidad de asistir "apropiadamente" es crítica para el comportamiento adaptativo, y las anomalías en esta capacidad son un síntoma prominente de varios trastornos psiquiátricos como el TDAH, el autismo y la esquizofrenia.

Al identificar los principios de organización y función del circuito que subyacen en la selección de atención, es posible descubrir nuevos objetivos de tratamiento específicos para combatir la disfunción de atención.

"Estos resultados nos dan una respuesta por primera vez sobre cómo el cerebro resuelve realmente el problema de seleccionar uno sobre todos los lugares posibles", según Mysore. "Lo que tenemos ahora es una respuesta satisfactoria para un problema que es a la vez fundamental y universal. Es factible que las ideas de este estudio se puedan generalizar muy bien hasta los humanos".

También es posible ayudar a interpretar  cómo el cerebro implementa la selección en una gama de otros comportamientos cognitivos complejos, como la toma de decisiones y la discriminación perceptiva.

Finalmente, tiene interés el utilizar estos conocimientos de la neurobiología para diseñar sistemas inteligentes artificiales eficientes.

Estas neuronas del cerebro medio podrían ser una clave importante para ciertos enigmas. Es  una investigación básica, pero se trata de generar ideas que puedan probarse en pacientes y, con suerte, puedan ayudar a crear terapias adecuadas".

Basado en:
https://www.cell.com/cell-reports/pdf/S2211-1247(18)31598-5.pdf

martes, 27 de noviembre de 2018

La red neuronal del libre albedrío



Los estudios de pacientes con afecciones neurológicas inusuales revelan redes cerebrales que contribuyen al sentido del libre albedrío. El daño causado a estas redes sería responsable de su ausencia.


Cuando el investigador Ryan Darby era un residente de neurología, estaba familiarizado con algo llamado síndrome del Dr. Strangelove, o síndrome de la mano ajena (SMA), pero eso no hacía que el comportamiento de sus pacientes fuera menos desconcertante. Las personas con esta afección se quejan de que una de sus extremidades, a menudo una mano, parece actuar por su cuenta. Puede tocar y agarrar cosas o incluso desabotonar una camisa que la otra mano está abotonando. Los pacientes no pueden controlar la mano rebelde ni siquiera agarrándola o sentándose sobre ella. Parece que han perdido el control de sí mismo, esa sensación inconfundible de ser dueño de las propias acciones y que es un importante componente del libre albedrío.  Según  Darby, ahora profesor asistente de neurología en la Universidad de Vanderbilt, era uno de esos síntomas que realmente cuestionaban la mente y la forma en que produce algunos de esos conceptos tan importantes.

El síndrome de la extremidad ajena puede surgir después de que un accidente cerebrovascular cause una lesión en el cerebro. Pero aunque los pacientes confiesen los mismos síntomas excéntricos, sus lesiones no ocurren en el mismo lugar del cerebro. ¿Podría ser debido a que  las lesiones se presentaran en diferentes partes de una misma red neural, se cuestionaron los investigadores?. Para encontrar la respuesta, los investigadores analizaron imágenes cerebrales procedentes de individuos con este síndrome.  

También investigaron el mutismo acinético, una condición que deja a los pacientes sin deseos de moverse o de hablar, a pesar de no existir ningún impedimento físico. Utilizando una nueva técnica, los investigadores compararon las áreas donde se localizaban las lesiones con una plantilla de redes cerebrales, es decir, grupos de regiones que a menudo se activan en conjunto.


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Las lesiones asociadas con el síndrome de extremidad alienígena se solaparon en una red de áreas conectadas con el precuneus, una región previamente vinculada a la autoconciencia y al control de sí mismo.

En pacientes con mutismo acinético, las lesiones formaban parte de otra red neuronal centrada en la corteza cingulada anterior, que se cree está involucrada en las acciones voluntarias. Estas dos redes también incluyen regiones cerebrales, que, cuando fueron estimuladas por electrodos en estudios previos, alteraron las percepciones del libre albedrío de los sujetos, según la publicación de los investigadores en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences USA.

El estudio sugiere que al menos algunos componentes del libre albedrío, como la voluntad y el autocontrol de los movimientos, no están localizados en ninguna área del cerebro, sino que dependen de una red de regiones. La percepción de libre albedrío puede perderse con la interrupción de cualquier parte de esa red.

Esta es una forma creativa de usar datos que han estado ahí por décadas y reconceptualizarlos para aprender algo realmente nuevo y darle sentido a cosas que antes no tenían sentido. Los estudios de muchas otras afecciones cerebrales podrían beneficiarse de este enfoque.

Basado en:

Darby RR, Laganiere S, Pascual-Leone A, Prasad S, Fox MD. Finding the imposter: brain connectivity of lesions causing delusional misidentifications. Brain [print-electronic]. 2017 Feb; 140(2): 497-507. PMID: 28082298, PMCID: PMC5278302, PII: aww288, DOI: 10.1093/brain/aww288, ISSN: 1460-2156.