Reconocimiento visual, casi fractal….casi…..

Una imagen vale más que mil palabras y el cerebro necesita miles de millones de neuronas para procesarla. ¿Por qué necesitamos tantas neuronas? Para averiguarlo, investigadores del Janelia Research Campus han grabado miles de ellas en la corteza visual del ratón. Aquí hay algunos datos.

Una razón para tener tantas neuronas puede ser que cada una tenga diferentes tareas:

La neurona A reconoce la agudeza de las orejas de un zorro,

La neurona B reconoce el color del pelaje del zorro.

La neurona C reconoce una nariz de zorro,

Etc.

Cuando una cantidad suficiente de estas neuronas se activan, el cerebro en su conjunto puede reconocer a un zorro.

¿Qué sucede si algunas neuronas se “duermen” en el trabajo y no responden a la imagen? En realidad, esto sucede muy a menudo, y sin embargo, el cerebro es notablemente robusto a estos fallos.

Incluso si el 90% de las neuronas no hacen su trabajo, todavía podemos reconocer al zorro. Incluso si cambiamos aleatoriamente el 90% de los píxeles, todavía podemos reconocer al zorro. El cerebro es robusto a muchas manipulaciones como esa.

Las redes neuronales artificiales también usan millones de neuronas para reconocer imágenes.

A diferencia de los cerebros, las máquinas no son tan robustas para pequeñas aberraciones. Aquí está nuestro zorro y, junto a él, el mismo zorro muy ligeramente modificado, ¡y ahora la máquina cree que es un pez globo!

Estas se llaman "imágenes adversas", porque las inventamos para engañar a la máquina. ¿Cómo se protege el cerebro contra estas perturbaciones y otras?

Una protección podría ser hacer muchas copias ligeramente diferentes de las neuronas que representan a los zorros. Incluso si algunas neuronas se duermen en el trabajo, sus copias podrían activarse. Sin embargo, si el cerebro utilizara tantas neuronas para cada imagen, ¡nos quedaríamos rápidamente sin neuronas!

Esto resulta en una presión evolutiva: es bueno que muchas neuronas realicen trabajos muy diferentes para que podamos reconocer muchos objetos en las imágenes, pero también es bueno si comparten algunas responsabilidades, para que puedan recuperarse cuando sea necesario.

Al investigar las principales dimensiones de la variación en las respuestas de 10,000 neuronas, los científicos encontraron ciertas evidencias en este sentido. A continuación, cada columna es la respuesta de una neurona a varias de nuestras imágenes.

Las dos dimensiones más grandes se distribuyeron ámpliamente en todas las neuronas, como se ve a continuación. Cualquier neurona podría contribuir  y recuperar la función  si las otras neuronas no respondieran.

Las siguientes 8 dimensiones, cada una de ellas, eran más pequeñas y se distribuían de forma mas dispersa entre las neuronas. Si una neurona estuviera dormida, aún sería probable que algunas otras pudieran representar estas dimensiones en su lugar.

Las siguientes 30 dimensiones revelaron una estructura cada vez más compleja ...

Y también lo hicieron las siguientes 160 dimensiones ...

Y así sucesivamente, esto continuó, con la N-ésima dimensión aproximadamente N veces más pequeña que la dimensión más grande.

Esta distribución de actividad se denomina “ley potencial” .

Sin embargo, esto no era solo una ley potencial, tenía un exponente especial de aproximadamente uno. Los investigadores hicieron algunos cálculos y demostraron que una ley potencial con este exponente debe ser fractal en el límite.

Un fractal es un objeto matemático que tiene una estructura en diferentes escalas espaciales, como el conjunto de Mandelbrot a continuación:

Este video a continuación con la técnica “Inceptionism” es también una especie de fractal

La actividad neuronal que nos permite visualizar nuestro mundo estaba enormemente cerca de ser un fractal, y apenas la evitaba porque su exponente era 1.04, ligeramente mayor de 1. Un exponente de 1.04 es el punto clave: lo más dimensional posible sin llegar a ser un fractal.

Y no ser fractal implica que las respuestas neuronales sean continuas y suaves, que es la clave  que permite a las neuronas  no confundir a un zorro con un pez globo.

 Basado en:  https://www.biorxiv.org/content/10.1101/374090v1

Todos los datos neuronales están disponibles aquí: 

https://figshare.com/articles/Recordings_of_ten_thousand_neurons_in_visual_cortex_in_response_to_2_800_natural_images/6845348

Y el código está aquí: https://github.com/MouseLand/stringer-pachitariu-et-al-2018b

Un modelo de cómo el cerebro se mantiene sincronizado.

Un nuevo análisis basado en el  Atlas de Conectividad Cerebral del Ratón del Instituto  Allen,
 generando  un diagrama de cableado de las conexiones del cerebro del ratón,
 muestra que las conexiones de largo alcance pueden ser importantes
 para que el cerebro de los mamíferos sincronice su actividad.

En el cerebro, las conexiones son clave. Un cerebro de ratón contiene alrededor de mil millones de sinapsis, o conexiones físicas entre neuronas, y nuestro propio cerebro alberga aproximadamente 100 billones. Los investigadores apenas están empezando a arañar la superficie de cómo este complejo cableado se traduce en las muchas habilidades del cerebro, pero un nuevo estudio basado en un modelo de la conectividad en el cerebro del ratón ha arrojado luz sobre algunas conexiones particularmente raras, aquellas que abarcan distancias muy largas en el cerebro.

En un estudio publicado en la revista PLOS Computational Biology, los neurocientíficos computacionales del Instituto  Allen describen un modelo computacional que revela que las conexiones de largo alcance en el cerebro del ratón son importantes para que las neuronas trabajen en sincronía unas con otras y también para romper esa sincronía cuando deja de ser necesaria.

Los investigadores creen que la capacidad del cerebro para sincronizarse, y para cambiar rápidamente entre actividades síncronas y asíncronas, es importante para una amplia gama de funciones diferentes. Este cambio rápido, a menudo, aparece dañado en los pacientes con enfermedad de Alzheimer, al igual que las conexiones de largo alcance, por lo que también es posible que estas conexiones sean importantes para mantener a nuestro cerebro sano.

Los enlaces neuronales perdidos

El estudio utilizó datos del Atlas de Conectividad Cerebral del Ratón del Instituto Allen, un diagrama de cableado que rastrea el "conectoma" del ratón, un mapa de las conexiones neuronales de todo el cerebro del  animal. Los investigadores utilizaron esos datos para construir un modelo que simula un aspecto de la función cerebral: la sincronía de la actividad neuronal.

En el cerebro, las conexiones mas frecuentes ocurren entre las neuronas que están cerca unas de otras. Pero un pequeño porcentaje de las conexiones del cerebro abarcan distancias más largas, y esas conexiones resultaron ser necesarias para que el modelo computacional imite la dinámica natural del cerebro. La mayoría de los trabajos de modelado anteriores las habían pasado por alto.

"Estas conexiones son pocas y distantes entre sí, pero son muy importantes", según Stefan Mihalas, Investigador Asociado del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro y coautor del estudio. "Es fácil pasarlas por alto porque es necesario realizar muchas mediciones para capturarlas. La única razón por la que no las hemos perdido es porque los datos de conectividad en el atlas son muy completos".

 

¿Por qué nos sincronizamos?

Para explicar por qué un cerebro necesitaría sincronizar su actividad, Mihalas plantea algunas preguntas que parecen más metafísicas que matemáticas: “¿Qué hace que un cerebro sea un todo, en lugar de la suma de piezas? Si pones dos cerebros juntos, ¿por qué no dan como resultado un cerebro gigante? "

Parece una pregunta ridícula, pero es impactante el fenómeno del "síndrome de cerebro dividido", en el que algunos pacientes a los que les cortan las conexiones entre los hemisferios izquierdo y derecho (generalmente para tratar la epilepsia grave) parecen mostrar dos conciencias separadas. Para realizar sus múltiples funciones: percepción sensorial, procesamiento, toma de decisiones, el cerebro debe interactuar tanto a nivel local como global.

Un modelo computacional que imita las conexiones observadas en el cerebro del ratón fue capaz de cambiar los estados del "cerebro" virtual, desincronizando rápidamente su actividad pero sin fragmentar su totalidad. Si los investigadores mezclaban las conexiones al azar, el modelo se dañaba al recibir un estímulo, incapaz de unirse y sincronizarse como una unidad.

Para cambiar rápidamente nuestro enfoque entre dos actividades, puede ayudarnos el alternar entre sincronización y desincronización, según Mihalas. Los estudios de resonancia magnética de personas, a las que se les pide que no se centren en ninguna cosa en particular, revelan que los cerebros, cuando divagan, exhiben ondas sincronizadas que se apagan rápidamente en presencia de un estímulo externo, como un ruido repentino. Y las regiones del cerebro responsables de la percepción sensorial, como la corteza visual, exhiben actividad incluso cuando no están siendo estimuladas, como cuando los ojos de una persona están cerrados.

Este modelo es solo un paso hacia la comprensión de cómo la estructura intrincada del cerebro permite su amplia gama de habilidades. Los investigadores del Instituto Allen están trabajando en las siguientes iteraciones del conectoma del ratón, un conjunto de datos que toma en cuenta muchas más complejidades del cerebro de los mamíferos. Los neurocientíficos también están trabajando para comprender si se alteran las conexiones y la sincronía en un modelo de ratón de la enfermedad de Alzheimer, y como lo hacen.

Con modelos cada vez más precisos del conectoma tanto del ratón, como del ser humano, tendremos respuestas cada vez mas certeras al gran misterio que todavía supone el funcionamiento del cerebro.

Basado en: https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1006978

http://connectivity.brain-map.org/

La sed y como la regula nuestro cerebro.

Los científicos han descubierto una nueva forma en que el intestino se comunica con el cerebro: mediante el envío de mensajes sobre el contenido de sal del estómago y los intestinos. Esta información es una señal clave que el cuerpo utiliza para controlar la sed.

Las neuronas que controlan la sed en el cerebro del ratón se iluminan (verde y rojo)
 cuando el intestino detecta un fluido salado. Imagen: Laboratorio Knight

La solución más salina que los ratones beben voluntariamente sabe más o menos la mitad de salada que el agua de mar. Esta solución salina sacia brevemente a las células cerebrales que controlan la sed, pero luego, en un minuto, vuelven a activarse y les dicen a los ratones que todavía tienen sed. Un sorbo de agua pura, sin embargo, mantiene a las mismas neuronas desactivadas durante un largo periodo de tiempo.

"Era algo difícil de explicar", según Zachary Knight, neurocientífico de la Universidad de California en San Francisco (UCSF). ¿Cómo sabe el cerebro tan rápidamente si la sed ha sido saciada? Tenía que haber una señal que indicara a las neuronas reguladoras de la sed, algo que les dijera si un líquido era demasiado salado, o simplemente correcto.

Después de tres años de investigación, Knight y sus colegas han descubierto que la señal misteriosa proviene del intestino. Su trabajo, publicado en la revista Nature, revela cómo el tracto gastrointestinal mide la concentración de sal en los intestinos y transmite esta información directamente al cerebro. Al rastrear la actividad neuronal en ratones vivos, su equipo observó en tiempo real como estos dos órganos se comunicaban sobre la sed. Se ha  descubierto, por tanto,  una nueva forma en que el intestino se comunica con el  cerebro.

Regulación de la sed

En un ratón vivo y activo,
los científicos registraron destellos de actividad neuronal
dentro de una región del hipotálamo llamada núcleo preóptico mediano.
Imagen: Laboratorio Knight

Durante más de un siglo, los científicos han estado tratando de entender cómo nuestros cuerpos regulan la sed. Los primeros estudios en animales sugirieron que las señales del cuerpo (como una garganta reseca, por ejemplo, o el contenido de sal y agua de la sangre) podrían hacer sonar una alarma de sed en el cerebro. Pero en las últimas décadas, los investigadores también han apuntado al tracto gastrointestinal. Hasta la fecha, nadie sabía en que parte del cerebro se registraban las señales de sed procedentes del cuerpo ni cómo llegaban hasta allí.

En 2016, Knight y sus colegas decidieron desentrañar el misterio. Usando una fibra óptica introducida en el cerebro, el equipo observó cómo un conjunto de neuronas se apagaban rápidamente cuando los ratones sedientos bebían un sorbo de agua y el líquido golpeaba la boca y la garganta. El trabajo mostró que realmente existe una señal de sed en la garganta, según Knight.

Pero un experimento clave determinó que había algo más en la historia: el agua salada apagaba esas mismas neuronas, pero solo temporalmente. "Es como que hay otra señal que le dice a las neuronas de la sed: 'Esto no te está rehidratando'". Y los investigadores a continuación centraron su investigación en el tracto digestivo.

El intestino, según descubrieron en una serie de experimentos descritos en su nuevo artículo, tiene un sensor de sal incorporado que se comunica con  el cerebro. Cuando los investigadores inyectaron agua pura directamente en el intestino, las neuronas de la sed se apagaron. Una inyección de agua salada mantuvo las neuronas activas. El equipo observó un vínculo directo entre la salinidad del líquido en el intestino y la fuerza de la señal en el cerebro. "Lo sorprendente de este hallazgo es que el intestino pueda medir con tanta precisión la concentración de sal", según Knight.

Una fibra óptica (barra gris) insertada en el cerebro de un ratón (verde)
 reveló la actividad de las neuronas involucradas en la sed.
La barra en el angulo inferior izquierdo es igual a 1 milímetro.
Imagen: C. Zimmerman et al./Nature 2019

Desde dentro del cerebro

Mediante el montaje de microscopios en miniatura dentro de las cabezas de los ratones, el equipo de Knight señaló exactamente dónde se evalúan las señales de sed en el cerebro del cuerpo.

El sistema de detección de sed del cuerpo es relativamente simple, según Knight. Conocerlo al detalle  podría eventualmente ayudar a los científicos a descubrir sistemas más complicados, como la regulación de la alimentación o de la temperatura corporal.

Desde luego, el  método de este equipo científico para combinar grabaciones neuronales en animales vivos, con técnicas para manipular el cuerpo, es una forma crucial de observar lo que sucede en el cerebro.

Basado en: Christopher A. Zimmerman, et al., "Una señal de intestino a cerebro de osmolaridad fluida controla la saciedad", Nature. Publicado en Internet el 27 de marzo de 2019. doi: 10.1038 / s41586-019-1066-x

Como actúa la Anestesia General en el cerebro.

La Anestesia general “piratea” el circuito del sueño.

Tras 170 años de uso, nadie estaba seguro de cómo y dónde funcionaba la anestesia en el cerebro.

El descubrimiento de la anestesia general hace 170 años fue un milagro médico,
 que permitió que millones de pacientes se sometieran a cirugías invasivas y sin dolor.
 Sin embargo, a pesar de décadas de investigación,
los científicos aún no entendían por qué funciona la anestesia general.

Ahora los científicos creen que han descubierto parte de la respuesta. En un estudio publicado en la revista científica Neuron, un equipo de la Universidad de Duke descubrió que varios medicamentos diferentes de anestesia general funcionan mediante el secuestro de los circuitos neuronales que regulan el sueño.

Los investigadores rastrearon este circuito neural hasta un pequeño grupo de células en la base del cerebro responsable de producir hormonas para regular las funciones corporales, el estado de ánimo y el sueño. El hallazgo es uno de los primeros en sugerir un papel para las hormonas en el mantenimiento del estado de la anestesia general y proporciona información valiosa para generar nuevos medicamentos que podrían hacer que las personas duerman con menos efectos secundarios.

Desde que el primer paciente fue sometido a anestesia general en 1846, los científicos han estado tratando de averiguar exactamente cómo funciona. La teoría prevalente ha sido que muchos de estos medicamentos alteran las actividades normales del cerebro, lo que resulta en la incapacidad de moverse o sentir dolor. Teorías similares giraban en torno al sueño, el estado similar a la anestesia general. Sin embargo, las investigaciones realizadas durante la última década han demostrado que el sueño es un proceso más activo que el que se reconoció anteriormente, con conjuntos completos de neuronas sincronizadas que inducen el sueño.

Fan Wang, Ph.D., profesora de neurobiología en la Escuela de Medicina de la Universidad de Duke, y Li-Feng Jiang-Xie, una estudiante graduada en su laboratorio, se preguntaban si la visión predominante de la anestesia general también era parcial. Quizás, en lugar de limitarse a inhibir ciertas neuronas, los anestésicos también podrían activar ciertas neuronas en el cerebro.

Para probar su nueva teoría, pusieron a los ratones bajo anestesia general con varios fármacos diferentes pero de uso común. Luego utilizaron marcadores moleculares para rastrear las neuronas que podrían ser activadas por los anestésicos. Encontraron un grupo de neuronas que mostraban gran excitabilidad enterradas en una pequeña región del cerebro llamada núcleo supraóptico.  Se sabe que las neuronas que forman el núcleo supraóptico tiene proyecciones largas que liberan grandes cantidades de hormonas, como la vasopresina, directamente en el torrente sanguíneo.

"La mayoría de las neuronas activadas por la anestesia eran un tipo de célula híbrida que conecta el sistema nervioso y el sistema endocrino", según Jiang-Xie. "Eso fue una sorpresa y llevó la investigación a un territorio inexplorado para comprender las vías neuronales de la anestesia general".

A continuación, los investigadores utilizaron una técnica sofisticada desarrollada en el laboratorio de Wang para activar o desactivar este grupo especializado de células con productos químicos o luz. Cuando activaron estas neuronas de los ratones, los animales dejaron de moverse y cayeron en un profundo sueño, llamado sueño de ondas lentas o sueño no REM, generalmente asociado con la inconsciencia.

Entonces el equipo de investigación silenció a este grupo de células. Los ratones continuaron moviéndose todo el tiempo, incapaces de quedarse dormidos.

Finalmente, los investigadores realizaron experimentos similares en ratones utilizando anestesia general. Encontraron que las células neuroendocrinas preactivadas artificialmente hacían que los ratones permanecieran bajo anestesia general durante períodos de tiempo más prolongados. A la inversa, cuando silenciaron estas células, los ratones se despertaban de la anestesia más fácilmente.

Este estudio también reveló un papel previamente inesperado de las células secretoras de hormonas del cerebro en la generación del sueño profundo.

“Muchas personas, especialmente aquellas con enfermedad de Alzheimer, tienen dificultades para conciliar el sueño, pero los medicamentos actuales tienen efectos secundarios molestos", según Yin. "Si podemos encontrar formas de manipular este circuito neural, quizás apuntando a hormonas o péptidos pequeños, se podría conducir al desarrollo de pastillas para dormir mas eficaces y con menos efectos secundarios"

Basado en: "A Common Neuroendocrine Substrate for Diverse General Anesthetics and Sleep," Neuron, June 5, 2019 ( online, April 18, 2019). 

Una búsqueda para comprender cómo evolucionó la inteligencia

Científicos chinos han insertado genes cerebrales humanos en monos para comprobar si aumenta su inteligencia.

Mono transgénico 

La inteligencia humana es uno de los inventos más importantes de la evolución. Es el resultado de un sprint que comenzó hace millones de años, dando como resultado  cerebros cada vez más grandes y con nuevas habilidades. Finalmente, los humanos se pusieron de pie, tomaron el arado y crearon la civilización, mientras que nuestros primos los primates se quedaron en los árboles.

Ahora, científicos en el sur de China informan que han tratado de reducir la brecha evolutiva, creando varios monos macacos transgénicos con copias adicionales de un gen humano del que se supone que desempeña un papel en la configuración de la inteligencia humana.

"Este fue el primer intento de comprender la evolución de la cognición humana utilizando un modelo de mono transgénico", según Bing Su, un genetista del Instituto de Zoología de Kunming que dirigió el estudio.

Según sus hallazgos, a los monos modificados les fue mejor en una prueba de memoria con colores y cuadros en bloque, y sus cerebros también tardaron más en desarrollarse, como lo hacen los niños humanos. No hubo una diferencia en el tamaño del cerebro.

Los experimentos, descritos en la revista científica china publicada en Beijing,  National Science Review, siguen lejos de identificar los secretos de la mente humana o llevar a la aparición de primates con inteligencia humana.

"El uso de monos transgénicos para estudiar genes humanos relacionados con la evolución del cerebro es un camino muy arriesgado", según James Sikela, un genetista que realiza estudios comparativos entre primates en la Universidad de Colorado. Le preocupa que el experimento muestre indiferencia hacia los animales y que pronto conduzca a modificaciones más extremas. "Es un problema clásico de pendiente resbaladiza y uno que puede repetirse a medida que se realiza este tipo de investigación". China ha tomado la delantera en este tipo de experimentos y es probable que continúen en el futuro.

La investigación con primates es cada vez más difícil en Europa y los EE. UU., Pero China se ha apresurado a aplicar las últimas herramientas de ADN de alta tecnología a los animales. Este país fue el primero en crear monos alterados con la herramienta de edición de genes CRISPR, y en enero de este año, un instituto chino anunció que había producido media docena de clones de un mono con un trastorno mental grave.

Historia de la evolución

Bing Su se especializa en la búsqueda de signos de "selección darwiniana", es decir, los genes que se han propagado porque tienen éxito. Su búsqueda ha abarcado temas como la adaptación de los yaks del Himalaya a la gran altitud y la evolución del color de la piel humana en respuesta a los inviernos fríos.

El mayor enigma, sin embargo, es la inteligencia. Lo que sabemos es que los cerebros de nuestros ancestros semejantes a los humanos crecieron rápidamente en tamaño y poder. Para encontrar los genes que causaron el cambio, los científicos han buscado diferencias entre los humanos y los chimpancés, cuyos genes son similares en un 98% a los nuestros. El objetivo, era localizar "las joyas de nuestro genoma", es decir, el ADN que nos hace exclusivamente humanos.

Por ejemplo, un gen candidato popular llamado FOXP2, el "gen del lenguaje" en artículos de prensa, se hizo famoso por su posible vínculo con el habla humana. (Una familia británica cuyos miembros heredaron una versión anormal tuvo problemas para hablar). Científicos de todo el mundo, desde Tokio a Berlín están dedicados  a investigar  si la mutación provocada de este gen en ratones, altera los chillidos de estos mediante la escucha con micrófonos ultrasónicos.

El investigador Su estaba fascinado por un gen diferente: MCPH1, o microcefalina. La secuencia del gen no solo difirió entre los humanos y los simios, sino que los bebés con daño en este gen nacen con cabezas diminutas, lo que proporciona un vínculo del gen defectuoso con el tamaño del cerebro. En  2010, el investigador chino Su vio la oportunidad de realizar un experimento potencialmente más definitivo: agregar el gen de la microcefalina humana a un mono. Para entonces, China había comenzado a combinar sus importantes instalaciones de cría de monos con las nuevas herramientas genéticas, un esfuerzo que lo ha convertido en una meca para los científicos extranjeros que necesitan monos para experimentar.

Para crear los animales, Su y sus colaboradores en el Laboratorio clave de Yunnan de investigación biomédica de primates expusieron embriones de monos a un virus que lleva la versión humana de la microcefalina. Generaron 11 monos, cinco de los cuales sobrevivieron y participaron en una batería de mediciones cerebrales. Esos monos tienen cada uno entre dos y nueve copias del gen humano en su dotación genética.

Ante las dudas éticas que provocó este experimento, el investigador Su comentó que está de acuerdo en que los monos están tan cerca de los humanos que sus cerebros no deberían ser cambiados. Pero los monos y los humanos compartieron por última vez un ancestro hace 25 millones de años.  Y esta circunstancia alivia las inquietudes éticas de los investigadores chinos. "Aunque su genoma está cerca del nuestro, también hay decenas de millones de diferencias" y es altamente improbable que los monos se conviertan en algo más que monos. "Imposible introduciendo solo unos pocos genes humanos"

¿Mono inteligente?

A juzgar por sus experimentos, el equipo chino esperaba que sus monos transgénicos pudieran terminar con una mayor inteligencia y tamaño cerebral. Es por eso que pusieron a las criaturas dentro de las máquinas de MRI para medir su materia blanca y les dieron pruebas de memoria computarizadas. Según su informe, los monos transgénicos no tenían cerebros más grandes, pero lo hicieron mejor en una prueba de memoria a corto plazo, un hallazgo que el equipo considera notable.

Varios científicos piensan que el experimento chino no proporcionó mucha información nueva. Uno de ellos es Martin Styner, científico informático de la Universidad de Carolina del Norte y especialista en resonancia magnética que figura entre los coautores de la publicación china. "Hay un montón de aspectos de este estudio que no se podrían hacer en los Estados Unidos", según Styner. "Se plantearon cuestiones sobre el tipo de investigación y si los animales fueron atendidos adecuadamente".

Un problema es que los monos modificados genéticamente son caros de generar y cuidar. Con solo cinco monos modificados, es difícil llegar a conclusiones firmes sobre si realmente difieren de los monos normales en términos de tamaño del cerebro o habilidades de memoria.

El investigador Su está de acuerdo en que la pequeña cantidad de animales era una limitación. Aunque dice que tiene una solución. Él está ampliado su muestra de monos transgénicos y también está probando nuevos genes de evolución cerebral. Uno de los que tiene en mente es SRGAP2C, una variante de ADN que surgió hace unos dos millones de años, justo cuando Australopitecus cedía la sabana africana a los primeros humanos. Ese gen ha sido apodado el "interruptor de la humanidad" y el "eslabón genético perdido" por su posible papel en el surgimiento de la inteligencia humana.

Es todavía pronto para conocer los resultados de estos nuevos experimentos. Veremos si van en la dirección correcta o el desarrollo de la inteligencia humana sigue siendo una incognita inalcanzable por el momento.

Basado en: 

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwz043/5420749

Esquizofrenia. A la búsqueda de su origen

¿Pérdida de las sinapsis desencadenan la esquizofrenia?

La esquizofrenia es una condición de salud mental a largo plazo que afecta gravemente la forma en que las personas perciben y piensan sobre el mundo. Los síntomas pueden incluir lenguaje y comportamiento desorganizados, alucinaciones auditivas y visuales y delirios de grandeza o persecución, que por lo general dejan al que los sufre completamente fuera de contacto con la realidad.

Cada vez más investigadores y clínicos consideran que la esquizofrenia es una afección del desarrollo neurológico que surge, al menos en parte, como resultado de eventos que ocurren en las primeras etapas de la vida, pero no muestran síntomas hasta la adolescencia o la adultez temprana. Las causas subyacentes siguen sin estar claras, pero están surgiendo pistas valiosas sobre el proceso biológico que lleva a la esquizofrenia. Una línea de investigación prometedora apunta al sistema inmunológico como un jugador importante, y un nuevo estudio implica a un tipo de célula como el principal culpable.

Un periodo sensible

El sistema inmunológico del cerebro consiste en células no neuronales llamadas microglia, que forman la primera línea de defensa contra los microbios que se infiltran en el órgano y también realizan funciones de mantenimiento vitales, como la eliminación de fragmentos de neuronas muertas o moribundas y otros desechos celulares. La microglía también es responsable de la poda sináptica, el proceso mediante el cual se eliminan las conexiones cerebrales no deseadas, y este proceso, si no funciona bien, podría contribuir al desarrollo de la esquizofrenia.

La poda sináptica se produce durante el desarrollo embrionario y los primeros años de vida, durante los cuales el cerebro produce grandes cantidades de células. Muchas de estas mueren antes de que nazca el niño, y las que sobreviven forman numerosas conexiones sinápticas con otras neuronas, aunque muchas de estas conexiones en realidad no son necesarias. Luego, la microglia barre el tejido cerebral en crecimiento, engullendo las sinapsis que se han formado de manera incorrecta e innecesaria, como si hubieran sido invadidas por microbios.

La poda también juega un papel fundamental más adelante, cuando la corteza prefrontal está madurando, un proceso que continúa más allá de la adolescencia y hasta la tercera década de la vida. Esto reduce el número total de sinapsis en el cerebro en aproximadamente un 40 por ciento y, junto con una redistribución significativa de la materia blanca que ocurre durante el mismo período, remodela la corteza prefrontal. Estos cambios cerebrales generalmente se reflejan en el comportamiento, las personas comienzan a tomar mejores decisiones y toman menos riesgos, ya que hacen la transición de adolescentes a adultos jóvenes.

Por lo tanto, la adolescencia se caracteriza por un período prolongado de neuroplasticidad intensificada, lo que hace posible la maduración tardía de la corteza prefrontal. Sin embargo, esta plasticidad tiene un inconveniente: hace que las personas de esta edad sean más susceptibles a la esquizofrenia y otras afecciones de salud mental.

¿En qué punto estamos?

Docenas de estudios publicados en los últimos 20 años muestran que la esquizofrenia está asociada con varios cambios estructurales y funcionales que empeoran progresivamente con el tiempo. Los estudios de neuroimagen muestran, por ejemplo, que la aparición de psicosis está asociada con un volumen reducido de materia gris en los lóbulos frontal, temporal y parietal, y que las alucinaciones auditivas están asociadas con una conectividad funcional alterada entre los lóbulos frontal y temporal; los estudios post mortem muestran consistentemente que el tejido cerebral obtenido de pacientes esquizofrénicos muestra una reducción significativa en la densidad de sinapsis.

Una posible explicación es una respuesta neuroinflamatoria anormal, por la cual las células microgliales se activan de manera inapropiada para eliminar las sinapsis que deben permanecer en su lugar. En 2015, los investigadores del King's College de Londres publicaron las primeras pruebas de que este podría ser el caso. Usando un marcador de PET radioactivo recientemente desarrollado, mostraron que las células microgliales son hiperactivas en los cerebros de las personas que corren el riesgo de desarrollar esquizofrenia, y que cuanto más amplia era la distribución de la microglía activada en sus cerebros, más graves eran sus síntomas subsiguientes.

Un estudio publicado en febrero en la revista Nature Neuroscience, complementa estos hallazgos. Los investigadores del Hospital General de Massachusetts extrajeron muestras de sangre de 17 pacientes esquizofrénicos y 18 controles sanos de la misma edad, aislaron células sanguíneas llamadas monocitos de las muestras y utilizaron tecnología de células madre pluripotentes inducidas para convertirlas en neuronas y microglía. También aislaron células de tejido conectivo de la piel de los participantes, las reprogramaron en neuronas y las utilizaron para generar sinaptosomas o sinapsis aisladas.

El cultivo de diferentes combinaciones de células y sinaptosomas en placas de Petri permitió a los investigadores examinar cómo interactúan. Estos experimentos demostraron no solo que la microglía derivada de los pacientes esquizofrénicos engullía más sinapsis que las de los controles, sino también que los sinaptosomas procedentes de pacientes esquizofrénicos eran más propensos a ser atacados por la microglía.

Microglía fagocitando sinapsis

Esto podría deberse a diferencias en la composición genética de las células. Los análisis de los investigadores mostraron que la microglía procedente de pacientes esquizofrénicos expresaba niveles más altos de genes asociados a la microglía que los derivados de los controles, lo que hace que secreten cantidades excesivas de ciertas proteínas, que se depositan en las neuronas y marcan a las sinapsis para su eliminación.

Investigaciones  previas habían demostrado que un antibiótico llamado minociclina inhibe la activación microglial y altera la poda sináptica. La minociclina se usa a veces para tratar el acné, por lo que los investigadores plantean la hipótesis de que los adolescentes expuestos a la misma podrían tener un riesgo menor de desarrollar esquizofrenia. Por lo tanto, examinaron los registros médicos de más de 22.000 personas de 10 a 18 años de edad, y encontraron que aquellas que habían sido tratadas con minociclina y un medicamento estrechamente relacionado durante un período de al menos tres meses tenían, de hecho, muchas menos probabilidades de desarrollar esquizofrenia que los que recibieron otros antibióticos.

Además, encontraron que las altas concentraciones de minociclina disminuían drásticamente la poda sináptica cuando se agregaban a las placas de Petri que contenían sinaptosomas y microglía procedente de pacientes esquizofrénicos. Juntos, los nuevos hallazgos agregan más peso a la idea de que la poda sináptica excesiva contribuye al desarrollo de la esquizofrenia.

"Estamos tratando de entender que  diferencias entre las sinapsis contribuyen al aumento de la poda", comenta el psiquiatra Roy Perlis, autor principal del nuevo estudio. "Al mismo tiempo, estamos aplicando las mismas pruebas para identificar otros medicamentos que influyen en la poda sináptica, y espero que nuestro trabajo fomente un cambio en el enfoque hacia la prevención, no solo el control de los síntomas".

Los hallazgos sugieren que la minociclina y los antibióticos relacionados podrían ayudar a prevenir el desarrollo de la esquizofrenia en aquellos que presentan un riesgo genético de desarrollarla más adelante; y, dado que la activación microglial es un sello distintivo de la respuesta inflamatoria del cerebro, los medicamentos antiinflamatorios como la aspirina también podrían ser útiles. Si bien los ensayos en humanos diseñados para probar los beneficios potenciales de la minociclina aún están lejos, algunos estudios ya han demostrado que la aspirina reduce la psicopatología en adultos cuando se agrega a la medicación antipsicótica.

Desarrollo de la microglia y sus funciones

Otra línea de evidencia relaciona este trabajo con la idea de que la esquizofrenia se desencadena en el útero como resultado de una infección materna, en aquellos individuos con un riesgo genético previo. El trabajo pionero del difunto Paul H. Patterson, neurocientífico del Instituto de Tecnología de California, y sus colegas, mostró que la activación del sistema inmunitario materno puede alterar el desarrollo cerebral fetal en ratas a través de la placenta. Esto sugiere que una respuesta inmune en la madre puede transmitirse a su feto, con lo cual puede desencadenar eventos que contribuyen a desencadenar la enfermedad en el feto.

Basado en:

https://www.nature.com/articles/s41593-018-0334-7

https://cgm.massgeneral.org/publications/patient-specific-models-microglia-mediated-engulfment-synapses-neural-progenitors/

http://www.dana.org/News/The_Revival_of_Brain_PET/