sábado, 25 de agosto de 2018

¿Dulce o salado?




¿Alterar la actividad en el centro emocional del cerebro puede eliminar el antojo natural por lo dulce?





Una nueva investigación en ratones ha revelado que el deseo subyacente del cerebro por lo dulce, y su desagrado por lo amargo, se pueden eliminar mediante la manipulación de las neuronas en la amígdala, el centro de la emoción del cerebro.

El estudio mostró que eliminar la capacidad de un animal para ansiar o despreciar un sabor no tuvo impacto en su capacidad para identificarlo. Los resultados sugieren que el complejo sistema del gusto del cerebro, que produce una serie de pensamientos, recuerdos y emociones cuando degustamos alimentos,  está formado en realidad por unidades discretas que se pueden aislar de forma individual, modificándolas o eliminándolas  por completo. La investigación apunta a nuevas estrategias para comprender y tratar los trastornos de la alimentación, incluida la obesidad y la anorexia nerviosa.

La investigación se publicó en la revista científica  Nature.

"Cuando nuestro cerebro detecta un sabor, no sólo identifica su calidad, sino que provoca un sinfín de señales neuronales que vinculan esa experiencia a su contexto, el valor hedónico, los recuerdos, las emociones y los demás sentidos, para producir una respuesta coherente", según Charles Zuker S., investigador principal en el Instituto del Comportamiento de Columbia y autor principal del artículo.

El estudio expuesto se basa en los primeros trabajos del Dr. Zuker y su equipo para mapear el sistema de sabor del cerebro. Anteriormente, los investigadores revelaron que cuando la lengua se encuentra con uno de los cinco sabores - dulce, agrio, salado, amargo o umami – las células especializadas en la lengua envían señales a las regiones especializadas del cerebro con el fin de identificar el sabor, y provocar  las acciones y comportamientos apropiados.


Agrio, Salado, Amargo, Umami, Dulce


Para arrojar luz sobre esa experiencia, los científicos se centraron en el  sabor dulce y amargo y en la amígdala, una región del cerebro conocida por su importancia para hacer juicios de valor acerca de la información sensorial. Investigaciones anteriores del Dr. Zuker, profesor en la Universidad de Columbia, y de otros investigadores, habían mostraron que la amígdala se conecta directamente a la corteza neuronal que se correlaciona con el sentido del gusto.






"Nuestro trabajo anterior reveló una clara división entre las regiones dulces y amargas de la corteza cerebral", dijo Li Wang,  investigador postdoctoral en el laboratorio de Zuker y primer autor del artículo. "Este nuevo estudio demostró que la misma división continuó hasta el final en la amígdala. Esta segregación entre las regiones dulces y amargas, tanto en la corteza correlacionada con el sabor, como en la amígdala, significa que estas regiones del cerebro se podrían manipular de forma independiente y controlar cualquier cambio resultante en el comportamiento."

Los científicos realizaron varios experimentos en los que las conexiones desde las neuronas relacionadas con el sabor dulce o amargo hasta la amígdala se modificaron  artificialmente, al igual que si utilizáramos un  interruptor de la luz. Cuando las conexiones dulces se activaron, los animales respondieron al agua como si fuera azúcar. Y mediante la manipulación de los mismos tipos de conexiones, los investigadores pudieron  incluso cambiar la calidad percibida de un sabor, transformando el sabor dulce en aversivo, o el sabor amargo en atractivo.

Como contraste, cuando los investigadores desactivaron  las conexiones de la amígdala, pero dejaron intacta la parte de la corteza cerebral correlacionada con el sabor, los ratones todavía podían reconocer y distinguir el sabor dulce del amargo, pero ahora carecían de las reacciones emocionales básicas, como la preferencia por el azúcar o la aversión a lo amargo.

"Sería como tomar un bocado de su pastel de chocolate favorito, pero sin que se derivara ningún placer" según el Dr. Wang. "Tras unos bocados, podría dejar de comerlo, sin sentir la ansiedad de acabártelo hasta las migajas”.

Por lo general, la identidad de un alimento y el placer que se siente  al comerlo se entrelazan. Pero los investigadores demostraron que estos componentes pueden aislarse entre sí y luego manipularse por separado. Esto sugiere que la amígdala podría ser  un área con un enfoque prometedor al buscar estrategias para tratar los trastornos alimentarios.

En el futuro inmediato, los Dres. Zuker y Wang se dedicarán a explorar regiones cerebrales adicionales que desempeñan papeles críticos en el sistema del gusto. Por ejemplo, la corteza del sabor también se vincula directamente a las regiones involucradas en las acciones motoras, el aprendizaje y la memoria.

"Nuestro objetivo es obtener el mapa completo de cómo esas regiones añaden significado y contexto al gusto", según el Dr. Wang. "Esperamos que nuestras investigaciones ayuden a descifrar cómo el cerebro procesa la información sensorial y como enriquece nuestras experiencias sensoriales."


Basado en: Li Wang, Sarah Gillis-Smith, Yueqing Peng, Juen Zhang, Xiaoke Chen, C. Daniel Salzman, Nicholas J. P. Ryba, Charles S. Zuker. The coding of valence and identity in the mammalian taste systemNature, 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0165-4






sábado, 18 de agosto de 2018

El Sinaptoma: Un nuevo mapa cerebral obtenido en ratón, tan específico como para permitir rastrear la formación de los pensamientos





mouse-brain-section-showing-distribution-of-synapse-types


Aún no tenemos un mapa astronómico de los cielos con el detalle de todas sus estrellas, sin embargo, gracias a un estudio trascendental publicado  en Neuron, ahora ya tenemos  uno de un  cerebro muy complejo.

Si cada neurona fuera una galaxia, entonces las sinapsis (estructuras pequeñas diseminadas a lo largo de las extensiones serpentinas de las neuronas) serían  sus estrellas. En un tour-de-force técnico, un equipo de la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido construyó el primer mapa detallado de cada sinapsis existente en el cerebro del  ratón.

Usando ratones genéticamente modificados, el equipo literalmente hizo que cada sinapsis del cerebro se iluminara con luz fluorescente al igual que una  noche estrellada. Y, al igual que difieren las estrellas, el equipo descubrió que las sinapsis son muy variadas, pero siguiendo unos patrones sorprendentes  que podrían respaldar la formación tanto de  la memoria como del pensamiento.

"Hay más sinapsis en el cerebro humano que estrellas en la galaxia. El cerebro es el objeto más complejo que conocemos y entender sus conexiones a este nivel es un gran paso adelante para desentrañar sus misterios ", expuso  el Dr. Seth Grant autor principal de la publicación.

El detalle de los mapas obtenidos reveló una ley fundamental de la actividad cerebral. Con la ayuda de la Inteligencia Artificial, el equipo clasificó aproximadamente mil millones de sinapsis, detectadas en el cerebro, en 37 subtipos. Aquí está la clave: cuando un  conjunto de neuronas recibe información mediante activación eléctrica, tal como tratar de decidir entre diferentes soluciones para un problema, los subtipos únicos de sinapsis repartidos entre diferentes neuronas se activan a la vez.

En otras palabras: las sinapsis se diferencian en tipos. Y cada tipo podría generar un pensamiento, una decisión o un recuerdo.

 


El Conectoma


El interés del equipo en la construcción del "sinaptoma" -el primer catálogo completo de sinapsis en el cerebro del ratón- provino de un proyecto mucho más grande: el Conectoma.

En pocas palabras, el Conectoma son todas las conexiones neuronales dentro de un cerebro. Según lo expresa el Dr. Sebastian Seung en una charla de TED, el conectoma es la base biológica de lo que somos: los recuerdos, la personalidad, y cómo se razona y se piensa. Si se captura el conectoma de un ser vivo,  algún día los científicos podrán reconstruirlo, algo que se conoce como emulación cerebral completa.

Sin embargo, el conectoma solo describe cómo las neuronas se comunican funcionalmente entre sí. ¿Pero en qué parte del cerebro está físicamente codificado un pensamiento o un recuerdo?

Y aquí entran las sinapsis. Los neurocientíficos saben desde hace tiempo que las sinapsis transmiten información entre las neuronas mediante neurotransmisores y electricidad. También ha habido indicios de que las sinapsis son muy diversas en términos de qué proteínas contienen, pero tradicionalmente esta diversidad habia sido ignorada. Hasta hace poco, la mayoría de los científicos creían que el tratamiento de la información  ocurría en el cuerpo neuronal, la parte central de una neurona desde la cual se extienden las ramas.

Hasta ahora, no se tenía una forma de ver la morfología y la función de las sinapsis en todo el cerebro, según los investigadores. Mas bien, la investigación se había centrado en el mapeo en pequeñas áreas de estos puntos de conexión cruciales.


 MAPA DE LAS SINAPSIS O SINAPTOMA


Para construir el sinaptoma de ratón, los investigadores desarrollaron una estrategia que denominaron SYNMAP. Comenzaron con ratones genéticamente modificados, cuyas sinapsis brillan en diferentes colores. Cada sinapsis contiene en su estructura  proteínas que las diferencian. Entre ellas, las proteínas denominadas PSD-95 y SAP102 son dos de los miembros más destacados. Los investigadores  agregaron proteínas con luminiscencia a estos dos tipos de proteínas para que esencialmente actuaran como antorchas para iluminar cada sinapsis en el cerebro.


Synaptome Mapping Pipeline
Estrategia del mapeo del sinaptoma:  El equipo primero modificó el genoma del ratón generando sinapsis
 que aparecían brillantes 
 bajo luz fluorescente.



Luego, cortaron laboriosamente el cerebro en rodajas, y usaron un microscopio para capturar imágenes de sinapsis en diferentes regiones cerebrales y reconstruyeron la anatomía cerebral a partir de las imágenes obtenidas.

Una imagen de un conjunto de sinapsis aparece como un mapa estelar densamente empaquetado a ojos de una persona  inexperta. Categorizar cada sinapsis va más allá de la capacidad (y del tiempo disponible) de cualquier investigador humano, por lo que el equipo aprovechó las nuevas técnicas de Inteligencia Artificial  y desarrolló un algoritmo que podía analizar estos datos (más de 10 terabytes) sin supervisión humana.


 Un Conectoma  Físico


Desde el principio, el equipo quedó impresionado por los "patrones exquisitos" que formaban las sinapsis luminiscentes. Una proteína, etiquetada como PSD-95, se expresó con intensidad en las regiones más exteriores del cerebro donde ocurren las  funciones cognitivas superiores. Aunque hay superposición, la otra proteína luminiscente  utilizada prefirió regiones mas interiores del cerebro.


Whole-Brain-Scale Mapping
Mapeo de escala cerebral completa:
Las imágenes de microscopio que muestran las dos proteínas de sinapsis luminiscentes,
 PSD-95 y SAP102, en distintas secciones del cerebro.

Cuando examinaron con detalle las imágenes obtenidas, los investigadores descubrieron que las dos proteínas luminiscentes representaban diferentes conjuntos de sinapsis. Cada región del cerebro expresaba una "firma de sinaptoma" característica. Al igual que las huellas dactilares que difieren en forma y tamaño, las varias regiones cerebrales también parecían contener sinapsis que difieren en su composición, tamaño y número de proteínas.

Utilizando un algoritmo de Inteligencia artificial desarrollado internamente, el equipo clasificó las sinapsis en 37 subtipos. Sorprendentemente, las regiones del cerebro relacionadas con el razonamiento superior y las capacidades de pensamiento también contenían la población de sinapsis más diversa, mientras que las "regiones de cerebro de reptiles", como el tronco cerebral, eran más uniformes en el subtipo de sinapsis.


Synaptome dominant subtype maps
Mapas de subtipos dominantes de Sinaptoma: 
Un gráfico de una sección transversal del cerebro
 que muestra algunos de los subtipos de sinapsis más comunes en cada área.
 Cada color representa un subtipo de sinapsis diferente. 
El recuadro enmarca el hipocampo.

 


¿Por qué?


Para dilucidar si la diversidad de las sinapsis ayuda con el procesamiento de la información, el equipo utilizó simulaciones por ordenador para ver cómo las sinapsis responderían a los patrones eléctricos comunes dentro del hipocampo, la región en forma de caballito de mar crucial para el aprendizaje y la memoria. El hipocampo fue una de las regiones que mostró una diversidad notable en los subtipos de sinapsis, con cada uno de los subtipos expresándose en patrones llamativos a través de esta estructura cerebral.

Sorprendentemente, cada tipo de procesamiento de información eléctrica se traduce en un mapa de sinaptoma único: si cambia el impulso eléctrico, cambia el sinaptoma. Ello sugiere que el cerebro puede procesar información eléctrica múltiple usando la misma región del cerebro, porque se activan diferentes sinaptomas.

El equipo encontró resultados similares al analizar los  patrones eléctricos registrados en ratones que intentaban elegir entre tres opciones para obtener una recompensa. Se iluminaron diferentes sinaptomas si la elección era correcta versus la elección incorrecta. Al igual que un mapa en pensamientos internos, los sinaptomas dibujaron una imagen vívida de lo que el ratón estaba pensando cuando hizo su elección.



Synaptome map function behavior and physiology

Comportamiento y fisiología de la función del mapa de sinaptoma:
 Cada comportamiento activa un sinaptoma particular.
 Cada sinaptoma es como una huella digital única de un proceso de pensamiento.


Reprogramación del Sinaptoma


Al igual que con un programa de ordenador, un sinaptoma parece subyacer a un resultado: una decisión o pensamiento. Entonces, ¿qué pasa si el código está corrompido?

Las enfermedades psiquiátricas a menudo tienen causas genéticas que afectan a las proteínas en la sinapsis. Usando ratones que mostraban síntomas similares a la esquizofrenia o el autismo, el equipo mapeó su sinaptoma y descubrió cambios dramáticos en la estructura y conexión de los diversos subtipos de sinapsis del cerebro.

Por ejemplo, en respuesta a ciertos patrones eléctricos cerebrales normales, en los ratones mutantes, con enfermedades psiquiátricas provocadas, algunos mapas de sinaptomas solo surgieron débilmente, mientras que otros se volvieron anormalmente fuertes.



Synaptome reprogramming
Reprogramación de Sinaptoma:
Las mutaciones pueden cambiar el sinaptoma
 y conducir potencialmente a trastornos psiquiátricos



Parece que ciertas enfermedades psiquiátricas "reprograman" el sinaptoma, concluyeron los investigadores. Los mapas de sinaptoma más fuertes o distintos podrían, de hecho, ser la razón por la cual los pacientes con esquizofrenia experimentan delirios y alucinaciones.


Entonces, ¿somos nuestro  Sinaptoma?


Quizás. Nuestra esencia, esto es, nuestros recuerdos, o nuestros patrones de pensamiento, parece estar grabada en cómo las diversas sinapsis se activan en respuesta a un estímulo eléctrico. Al igual que una huella dactilar para recuerdos y decisiones, los sinaptomas podrían "leerse" a posteriori, para descifrar ese pensamiento.

Pero como reconocen los investigadores, el estudio es solo el comienzo. Junto con la publicación científica, el equipo lanzó una herramienta llamada Synaptome Explorer para ayudar a los neurocientíficos a analizar las  intricadas conexiones entre las sinapsis y el comportamiento.

"Este nueva forma de analizar el cerebro abre nuevas vías a  investigaciones  que deberían transformar nuestra comprensión del comportamiento y la enfermedad cerebral" según Grant. 




sábado, 4 de agosto de 2018

Identificada la parte del cerebro que controla el tono de nuestra voz




Ya sea que se esté emitiendo una nota alta, declamando una frase en público, o leyendo un cuento para dormir a un niño, el tono de nuestras voces es una parte vital de la comunicación humana. Ahora, como parte de la búsqueda constante de producir una imagen dinámica de la función neuronal en tiempo real, los investigadores que participan en el proyecto BRAIN de los Institutos Nacionales de la Salud americanos,  han identificado la parte del cerebro que controla el tono vocal.

Esta mejor comprensión de cómo el cerebro humano regula el tono de los sonidos que emanan de la garganta, o específicamente de la laringe, es algo más que neurociencia puntera. Podría ser fundamental en el desarrollo de tecnologías nuevas y más naturales para ayudar a las personas que tienen trastornos del habla o a quienes se les ha extirpado la laringe debido a una lesión o enfermedad.




Nuestra capacidad de hablar está controlada en la corteza sensitívomotora, parte de la corteza cerebral. Pero el cómo el complejo sensorial-motor orquesta el proceso físico del habla humana, desde los movimientos de nuestros labios hasta las vibraciones en nuestras laringe, se desconocía hasta ahora.

Si bien puede ser treméndamente complicado tratar de trazar un proceso tan complejo en el cerebro humano, los miembros del laboratorio de Edward Chang en el Centro de Epilepsia de la Universidad de California en San Francisco se encuentran en una posición ideal para hacerlo. Eso se debe a que Chang, un neurocirujano, realiza operaciones con regularidad para eliminar el tejido cerebral inductor de convulsiones de las personas con epilepsia.

Chang se prepara para esas operaciones colocando matrices de alta densidad de pequeños electrodos directamente sobre la superficie del cerebro de sus pacientes. Este método, conocido como electro-corticografía o ECoG, ayuda a identificar las ubicaciones precisas en el cerebro donde se desencadenan las convulsiones. También se usa para identificar otras áreas importantes del cerebro, incluidas las relacionadas con el lenguaje, para garantizar que no se dañen accidentalmente durante la cirugía.

En el primero de dos estudios recientes, éste dirigido por el estudiante de posgrado Josh Chartier y publicado en la revista Neuron, Chang pidió a los pacientes que necesitaban cirugía para tratar su epilepsia, que leyeran cientos de oraciones cuidadosamente construidas mientras esos sensores de ECoG se colocaban sobre la superficie de sus cortezas sensitivomotoras . El estudio reveló por primera vez cómo las neuronas coordinan los movimientos de casi 100 músculos en los labios, la lengua, las mandíbulas y la laringe a medida que la gente produce el habla.



Figure thumbnail fx1


En el segundo estudio, dirigido por el estudiante de posgrado Benjamin Dichter y recién publicado en la revista Cell, el equipo de Chang estudió los cambios en el tono vocal al analizar con más profundidad  las conexiones entre el cerebro y la laringe. Dieron por supuesto que los humanos varían el tono, tal como se ajusta un instrumento,  mediante el control de la tensión de los músculos que se mueven a través de los pliegues vocales de la laringe. También sabían que nuestros cerebros controlan estos movimientos sin que nos demos cuenta.

El equipo de Chang pidió a 12 pacientes voluntarios que estaban a la espera de ser operados,  que dijeran una frase bastante peculiar: "Nunca dije que me robó mi dinero". Luego se les ordenó cambiar el significado de la oración al alterar el tono de sus voces y enfatizar una palabra específica. Por ejemplo, "Nunca dije que me robó mi dinero", "Nunca dije que me robó mi dinero" y "Nunca dije que me robó mi dinero". Si lo hacemos nosotros, veremos que, de forma natural, tendemos  a elevar el tono, así como el volumen de la palabra que se enfatiza.) Mientras los participantes inflexionaban sus voces, los investigadores usaron conjuntos de ECoG para registrar la actividad neuronal en las áreas del cerebro que procesan el habla.

Sus estudios mostraron que algunas neuronas en el área de la corteza sensitivomotora, que controla la laringe, se activaban cada vez que los voluntarios enfatizaban diferentes palabras en una oración. Esta área, llamada corteza motora laríngea dorsal, fue más activa cuando el tono de un hablante alcanzaba su pico. Sus estudios también mostraron que un grupo distinto de neuronas en la corteza motora laríngea dorsal controla los sonidos producidos por la laringe, mientras que otras neuronas controlan las variaciones en el tono vocal.

En un notable conjunto de experimentos en más de 80 pacientes voluntarios, los investigadores estimularon selectívamente las neuronas en la corteza motora laríngea dorsal mientras registraban la activación de los músculos en la laringe. Identificaron sitios específicos allí que activaban, sin ninguna duda,  los músculos de la laringe. De hecho, 20 personas respondieron a la estimulación cerebral haciendo, de forma totalmente involuntaria,  vocalizaciones audibles.

Los investigadores también encontraron actividad cerebral similar cuando los participantes variaban su tono mientras cantaban. Esto indica que el tono vocal se controla de manera similar tanto en el habla como en el canto. Además, esas mismas áreas del cerebro se activaron cuando los participantes escucharon en silencio el sonido de sus propias voces. Los investigadores sugieren que podría explicar cómo las personas imitan el habla, incluido el tono, de otra persona.

Estas capacidades humanas para el lenguaje, la música y la canción no solo son fascinantes, sino que también son fundamentales para lo que somos y para nuestro bienestar. Y también pueden tener importantes consecuencias terapéuticas. De hecho, el NIH está comprometido en una asociación con The Kennedy Center para explorar las conexiones entre la música, la salud y el bienestar, en un programa al que han llamado Sound Health.
En un futuro, estas investigaciones pueden dar lugar a tecnologías que proporcionen voces sintéticas de gran realismo a aquellas personas que por enfermedad o accidente, no disponen de esta capacidad.

Basado en:

[1] The Control of Vocal Pitch in Human Laryngeal Motor Cortex. Dichter BK, Breshears JD, Leonard MK, Chang EF. Cell. 2018 Jun 28;174(1):21-31.e9.
[2] Encoding of Articulatory Kinematic Trajectories in Human Speech Sensorimotor Cortex. Chartier J, Anumanchipalli GK, Johnson K, Chang EF. Neuron. 2018 Jun 6;98(5):1042-1054.e4. doi: 10.1016/j.neuron.2018.04.031.