Matemáticas: ¿Cómo se procesan en el cerebro?

Científicos de la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford han determinado las coordenadas anatómicas precisas de un “punto específico” del cerebro, que mide alrededor de medio centímetro, que se activa preferentemente cuando se nos muestran números ordinales de los que aprendemos en la escuela primaria. Por ejemplo, “5” o “23”.

Sin embargo, este punto se muestra bastante inactivo cuando el número se muestra en escritura, como “cinco” o “veintitrés”.

El cluster identificado por estos científicos, que no únicamente se activa con el reconocimiento numérico, sino también con las operaciones aritméticas, consiste en una población de neuronas de entre uno y dos millones dentro del giro temporal inferior, una región superficial de la corteza exterior del cerebro. Esta parte anatómica del cerebro es conocida por procesar la información visual.

Aunque cada cerebro es único y su forma cambia ligeramente, todos los individuos observados mantienen esta característica invariable. El cluster de neuronas que procesa numerales está inserto dentro de un grupo mayor de neuronas que se activan por símbolos visuales que tienen líneas con ángulos y curvas. Esas poblaciones neuronales muestran una preferencia por los numerales comparados con las palabras que denotan o suenan como esos numerales.

Pareciera como si la evolución hubiera diseñado esta región del cerebro para detectar estímulos visuales tales como líneas que se intersectan en ángulos variados, la clase de intersecciones que los monos necesitan detectar rápidamente cuando van saltando entre rama y rama en una densa jungla. La adaptación de una parte de esta región al servicio de los números es una sorprendente interacción entre la cultura y la neurobiología.

¿Y que nos pueden enseñar las personas ciegas sobre plasticidad cerebral numérica?

Científicos de la Johns Hopkins  han observado con sorpresa que las personas ciegas aparentemente procesan los números aprovechando una parte de su cerebro reservada para las imágenes en los  individuos con visión normal.

A pesar de la existencia de un cluster neuronal dedicado a los numerales, los conceptos matemáticos se enseñan a menudo de una manera que inciden en el sistema visual del cerebro. A los niños se les puede pedir que cuenten las manzanas en una foto, o que imaginen a dos trenes que se alejen unos de otros a diferentes velocidades. Pero, ¿cuánto de la experiencia visual conforma la forma en que la gente piensa acerca de los números?

Para averiguarlo, los investigadores de Johns Hopkins compararon la actividad cerebral entre un grupo de individuos ciegos congénitos y un grupo de individuos con visión normal, pidiendo a todos los participantes que resolvieran una serie de problemas de matemáticas y tareas de comprensión del lenguaje.

En ambos grupos que participaron en el estudio, las mismas partes del cerebro fueron más activas durante la tarea de matemáticas, un hallazgo significativo porque sugiere que la forma en que los seres humanos procesan conceptos matemáticos se desarrolla de la misma manera, independientemente de la experiencia visual.

Areas cerebrales distintas para el tratamiento matemático
 y para el conocimiento semántico general

Pero algo aún más sorprendente tuvo lugar en los cerebros de los participantes ciegos cuando realizaban cálculos matemáticos: estaban usando además una parte de su cerebro para las matemáticas que, entre las personas con visión normal, está reservada para la visión. Y cuanto más complejo es el problema matemático, más activa se vuelve esa región. "Estos resultados sugieren que la experiencia puede cambiar radicalmente la neurobiología del pensamiento numérico", escribieron los investigadores del artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences. En otras palabras, algunas partes del cerebro humano están innatamente preparadas para el pensamiento matemático, mientras que otras áreas parecen funcionar basadas ​​en la experiencia.

La cuestión natural siguiente es lo que esto significa para la habilidad matemática. Si las personas ciegas, al procesar números, son capaces de aprovechar una parte de su cerebro que está reservada para el pensamiento visual en personas con visión normal, ¿no podría significar que las personas ciegas son mejores en matemáticas?

Tal vez, pero no hay evidencia que respalde esa hipótesis todavía, "aunque los individuos ciegos tengan todo este trozo de cerebro adicional dedicado a la tarea de matemáticas", según Shipra Kanjlia, autor principal del estudio. Mientras tanto, sin embargo, los hallazgos al menos desafían la idea común de que las matemáticas son necesariamente un "proceso muy visual", dice. La realidad, en cambio, es que involucrarse en el pensamiento matemático es visual para algunas personas y no para otras.

Albert Einstein, por ejemplo, describió su propio pensamiento como algo "visual" y en parte "muscular". En uno de sus famosos experimentos mentales, Einstein imaginó lo que sería perseguir un fotón moviéndose a la velocidad de la luz. Pero tal ejercicio no requiere realmente una imagen mental. Lo que una persona con visión normal experimenta como pensamiento visual puede ser caracterizado como "espacial", por alguien que es ciego.

Es sorprendentemente difícil articular la experiencia del pensamiento matemático, pero tiene sentido que la gente confíe en los sentidos -sea la vista o el oído- para moldear sus percepciones más amplias del mundo. Las personas, en general, describimos la visualización de números como si aparecieran en una pizarra o una calculadora en nuestra  mente.

En otro estudio, también publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, se encontró que los matemáticos habían "reducido la actividad en las áreas visuales del cerebro involucradas en el procesamiento facial", "Esto podría significar que los recursos neurales necesarios para captar y trabajar con ciertos conceptos matemáticos pueden socavar o reutilizar algunas de las otras capacidades del cerebro”.

Efectos de la pericia matemática en la via visual ventral

Las últimas conclusiones, de Kanjlia y sus colegas, parecen complementar ese trabajo. Por ejemplo, su equipo también encontró que los individuos ciegos demostraron "una mayor conectividad funcional" entre las diferentes regiones que procesan el pensamiento numérico.

"La posible conclusión a extraer es que el cerebro es muy flexible, pero también muy resiliente", según expresaba  Shipra Kanjlia. "Cosas que uno piensa que no pueden cambiar, a veces, cambian”

Basado en https://med.stanford.edu/news/all-news/2013/04/scientists-pinpoint-brains-area-for-numeral-recognition.html

Y en http://www.pnas.org/content/113/40/11172.abstract?sid=3fa4da45-449f-4a18-912e-506f5f1dec4c

Y en http://www.pnas.org/content/113/18/4909.abstract

La “huella digital” del cerebro humano.

 ¿Es única? ¿Se mantiene inalterada a lo largo del tiempo?

Se ha descubierto recientemente que las conexiones estructurales de un cerebro son tan únicas que los investigadores son capaces de identificar a una persona basándose en la "huella digital" de su cerebro. Un equipo liderado por investigadores de la Universidad Carnegie Mellon fue capaz de descubrir esta huella cerebral utilizando un nuevo escáner MRI de difusión no-invasivo.

Usando la Resonancia Magnética de Difusión, los investigadores fueron capaces de mapear el conectoma, esto es,  las conexiones estructurales del cerebro o lo que se conoce como fibras de materia blanca. La forma en que estas fibras de materia blanca están conectadas es única de persona a persona, lo que permite a los investigadores identificar a alguien con exactitud casi perfecta.

Este tipo de escaneado MRI también permite a los investigadores "medir la integridad a lo largo de cada segmento de los cables biológicos del cerebro" lo que ayuda a distinguir patrones únicos. El escaneado de imágenes por resonancia magnética de difusión es diferente de las exploraciones de resonancia magnética regular, ya que es capaz de generar contraste en las imágenes mediante la difusión de moléculas de agua en tejidos biológicos.

La cuantificación de las diferencias o similitudes en los conectomas ha sido un desafío debido a la inmensa complejidad de las redes cerebrales globales.

Los investigadores utilizaron el método de Resonancia Magnética por difusión  en 699 cerebros para medir sus conexiones locales (las conexiones neuronales). Para crear realmente la "huella digital" del cerebro, los investigadores tomaron los datos de la resonancia magnética por difusión y luego la reconstruyeron para calcular la distribución de la difusión de agua a lo largo de las fibras de la sustancia blanca (el conectoma del cerebro).

Los datos de la MRI por difusión se reconstruyen para formar la "huella digital" del cerebro.
 Fotografía: Universidad de Carnegie Mellon

Los investigadores realizaron más de 17.000 pruebas de identificación con el fin de saber si la huella cerebral es realmente única. Los investigadores no determinaron cuán exacta era la huella digital, pero sí dijeron que eran capaces de determinar si dos huellas cerebrales provenían de la misma persona o no "con una exactitud del 100%".

La huella cerebral se puede utilizar también como un marcador fenotípico. En el estudio se encontró que los gemelos homozigóticos (hermanos que comparten la misma dotación genética) tienen un porcentaje de similitud del 12,51%. Los gemelos dizigoticos (hermanos nacidos en el mismo parto que no comparten la dotación genética) son similares en un 5,14%. Los hermanos que comparten ambos padres mostraban una similitud en la huella cerebral de un 4,51%, y todo ello relativo a la diferencia entre individuos no relacionados.

Las diferencias y similitudes entre hermanos gemelos y no gemelos

La organización local de la arquitectura de materia blanca, o conectoma es realmente única para cada individuo, por lo que es posible la medición de las diferencias en el conectoma. El estudio encontró que la variabilidad en la arquitectura de la materia blanca local viene parcialmente determinada por factores genéticos, pero es extraordinariamente plástica a lo largo del tiempo.

El resultado de la investigación también muestra que el carácter distintivo de las conexiones cambia con el tiempo, un promedio de 12,79 % cada 100 días. Los cambios incluyen tanto el crecimiento como el decrecimiento de la conectividad en diferentes localizaciones cerebrales. Esto significa que muchas de nuestras experiencias de vida se reflejan de alguna manera en la conectividad de nuestro cerebro.

Se confirma, por tanto,  algo que siempre se ha asumido en la neurociencia: que los patrones de conectividad en el cerebro son únicos para cada individuo. Las experiencias compartidas, por ejemplo la pobreza o las personas que tienen la misma enfermedad patológica, se reflejan en las conexiones cerebrales, abriendo la puerta a posibles nuevos biomarcadores médicos para ciertos problemas de salud.

Este nuevo enfoque abre una nueva puerta para investigar la influencia de factores patológicos, genéticos, sociales o ambientales en la configuración única del conectoma humano.

Basado en: http://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1005203#sec002

Olvidémonos de Broca y Wernicke: Reescribiendo la neurobiología del lenguaje

La imagen muestra el modelo clásico Wernicke-Lichtheim-Geschwind
  de la neurobiología del lenguaje

Si ojeamos cualquier libro de texto de neuropsicología, conoceremos a los pioneros del siglo XIX, Paul Broca y Carl Wernicke, que demostraron que la producción y la comprensión lingüística se gestionan en dos regiones cerebrales distintas, que pasaron a conocerse como el área de Broca y el área de Wernicke respectivamente. También conoceremos a otro pionero de la neurología, Norman Geschwind, quien describió cómo estas dos regiones están unidas por un tracto conectivo clave: el fascículo arqueado.

Este es el "Modelo Clásico" de la base neurológica de la función del lenguaje, en aquel momento una revolución en nuestro entendimiento, y muy influyente hasta nuestros días. Pero de acuerdo con un nuevo estudio  “Brain and Language” recién publicado, el modelo clásico está obsoleto y ya no es apto para el propósito. Es más, su legado y el uso continuado de su terminología están obstaculizando el progreso en el campo, en términos de investigación y de práctica médica.

Antes de publicar su estudio, Pascale Tremblay y Anthony Dick encuestaron el año pasado a 159 expertos en la materia, a través del boletín de Neurobiology of Language Society.  Les preguntaron a estos expertos - la mayoría de ellos científicos, pero también a algunos médicos - si el modelo clásico es la mejor teoría disponible. Sólo el 2 por ciento estuvo de acuerdo en ello, aunque la literatura de investigación esté dominada por artículos basados ​​en el modelo y su terminología (una búsqueda bibliográfica muestra cientos de menciones de las áreas de Broca y Wernicke en neurobiología y neuropsicología en los últimos años).

También hubo una enorme diferencia de opinión entre los encuestados sobre la ubicación anatómica de las áreas de Wernicke y Broca. "Estos términos no son inocuos", escriben Tremblay y Dick - "llevan consigo una noción de relevancia funcional para el lenguaje, pero no todos están de acuerdo con su definición anatómica, y no todos están de acuerdo en su función. Esto contribuye a una confusión conceptual significativa".

Otra cuestión es que el Modelo Clásico cuenta una historia pura, pero es una que ya no se ajusta a la evidencia. Los hallazgos modernos muestran, por ejemplo, que en lugar de existir un tracto conectivo clave relevante para la función del lenguaje, hay muchos, incluyendo el fascículo uncinado, el fascículo frontal-occipital inferior, el fascículo longitudinal medio y el fascículo longitudinal inferior. Casi cualquier libro de neurobiología le mostrará los  dos nodos de lenguaje conectados a través de un solo tramo, y sin embargo "la evidencia abrumadora es que hay múltiples vías de fibra que soportan la función del lenguaje en el cerebro humano".

Y hay claramente más de dos nodos funcionales implicados, de hecho ahora sabemos que la función del lenguaje está increíblemente distribuida a través del cerebro, “extendiéndose mucho más allá de las áreas de Broca y de Wernicke, implicando áreas en el lóbulo frontal, y en los lóbulos parietales y temporales, en los hemisferios medianos del cerebro, así como en los ganglios basales, el tálamo y el cerebelo”.

Sin embargo, el dominio continuo del modelo clásico significa que los estudiantes de neuropsicología y neurología a menudo siguen aprendiendo ideas anticuadas, sin ponerse al día con los últimos descubrimientos en el área. Es probable que los médicos también tengan dificultades para  explicar los síntomas relacionados con el lenguaje, causados ​​por un daño cerebral o por una enfermedad en áreas fuera del Modelo Clásico, pero que son relevantes para la función del lenguaje, como el cerebelo.

Tremblay y Dick llaman a una "ruptura limpia" del Modelo Clásico y un nuevo enfoque que rechaza la perspectiva "centrada en el lenguaje" del pasado (que veía el sistema lingüístico como altamente especializado y claramente definido) y que abarca una perspectiva más distribuida, que reconoce cuánto de la función del lenguaje se superpone a los sistemas cognitivos que originalmente evolucionaron para otros fines.

Según los autores del estudio, y aunque el campo como un todo ha hecho enormes progresos en las últimas décadas, debido en parte a los avances significativos en neuroimagen y métodos de neuroestimulación, es imprescindible el abandono del Modelo Clásico y la terminología de las áreas de Broca y Wernicke para conseguir que prospere el avance teórico adicional sobre esta característica fundamental del ser humano.

Basado en Abstract for “Broca and Wernicke are dead, or moving past the classic model of language neurobiology” by Pascale Tremblay and Anthony Steven Dick in Brain and Language. Published online August 30 2016 doi:10.1016/j.bandl.2016.08.004

Neuronas obtenidas de células madre reemplazan a neuronas dañadas, reconectándose en el cerebro de forma precisa.

Según han demostrado  investigadores del Instituto Max Planck para la Neurobiologia en Munich, las células madre neuronales embrionarias, trasplantadas a áreas dañadas de la corteza visual de ratones adultos, fueron capaces de diferenciarse en neuronas piramidales, formando conexiones sinápticas normales, respondiendo a estímulos visuales e integrándose en redes neuronales.

La capacidad del cerebro adulto de mamífero para compensar la pérdida neuronal causada por lesión o enfermedad es muy limitada. La inserción de células madre en el tejido cerebral por tanto, tiene como objetivo reemplazar las neuronas perdidas, pero se desconocía hasta qué punto las neuronas nuevas pudieran  integrarse en los circuitos neuronales existentes.

Como se muestra en esta imagen in vivo, los trasplantes neuronales (azul)
 se conectan con las neuronas del huésped (amarillo)
 en el cerebro de un ratón adulto de una manera muy específica,
 reconstruyendo redes neuronales perdidas tras una lesión.
(Foto: Sofía Grade / LMU / Helmholtz Zentrum München)

El cerebro mamífero  adulto tiene muy poca capacidad para compensar la pérdida de células nerviosas, por lo que los investigadores biomédicos están explorando la posibilidad de utilizar células nerviosas trasplantadas para reemplazar las neuronas que han sufrido daños irreparables como resultado de un trauma o enfermedad, lo que lleva a un déficit neurológico que puede incapacitar al enfermo para el resto de su vida.

Los estudios previos han sugerido que hay potencial para remediar al menos algunos de los síntomas clínicos resultantes de la enfermedad cerebral adquirida a través del trasplante de células nerviosas fetales en las redes neuronales dañadas. Sin embargo, no estaba claro si las neuronas intactas trasplantadas se integrarían en la red dañada de forma que la función perdida pudiera restaurarse.

Ahora, en el reciente estudio publicado en Nature, los investigadores han encontrado tras  experimentos de rastreo monosinápticos, que las células nerviosas embrionarias trasplantadas, tras un periodo de 4 a 8 semanas,  y en respuesta a estímulos visuales, se habían diferenciado correctamente en neuronas piramidales, formando conexiones sinápticas normales, con poda selectiva de dendritas basales, logrando densidades de tipo adulto de espinas dendríticas y botones axonales, y llevando a cabo las tareas antes realizadas por las neuronas dañadas.

Fue una sorpresa añadida para los investigadores, el descubrir que de las nuevas neuronas adquiridas crecían axones en todo el cerebro adulto, alcanzando las áreas diana apropiadas y recibiendo entradas específicas de neuronas que forman parte de la capa neocortical V1 (desde la corteza visual primaria) de las neuronas del huésped, precisamente las mismas entradas que habrían recibido las neuronas originales e incluyendo conexiones genículo-corticales organizadas topográficamente.

Esto se produce en los circuitos neocorticales que se supone que nunca incorporan nuevas neuronas en el cerebro mamífero adulto.

Además, las respuestas selectivas al estímulo se refinan en el curso de muchas semanas y finalmente, tras dos o tres meses,  se vuelven indistinguibles de las neuronas del huésped,  esto es, las neuronas trasplantadas se habrían integrado totalmente en el cerebro, mostrando propiedades funcionales indistinguibles de las neuronas originales.

Es un inicio prometedor a posibles nuevas técnicas de recuperación de tejido cerebral dañado y que soslayaría la incapacidad de generación de nuevas neuronas en gran parte de los tejidos cerebrales. Es necesario continuar con esta investigación, para confirmar unos resultados tan prometedores.

Basado en: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature20113.html

Cuida tu cerebro. Aprende música.

La música probablemente consigue algo único. Estimula el cerebro de una manera muy potente, debido a nuestra conexión emocional con ella.

Mientras que los juegos de entrenamiento cerebral y las aplicaciones para smartphones pueden no estar a la altura de su fama, ciertas otras actividades y un estilo de vida adecuado, pueden tener beneficios neurológicos que promueven la salud general del cerebro y pueden ayudar a mantener la mente lúcida a medida que envejecemos. Una de ellas es la formación musical. La investigación muestra que aprender a tocar un instrumento musical es beneficioso para los niños y adultos por igual, e incluso puede ser útil para aquellos pacientes que se recuperan de lesiones cerebrales.

Plasticidad cerebral

La plasticidad es una característica fundamental de la organización de la función cerebral humana. Tradicionalmente, se pensaba que el cerebro fijaba su cableado después de un período crítico en el desarrollo. Sin embargo, ahora se acepta que el cerebro tiene una notable capacidad de modificar su organización estructural y funcional durante toda la vida, en respuesta a cambios producidos en nuestro medio ambiente. Esta plasticidad cerebral subyace en el desarrollo normal y la maduración, en la habilidad para el aprendizaje y la memoria, en la recuperación tras una lesión cerebral, así como en las consecuencias de una  privación sensorial o de un enriquecimiento ambiental.

El aprendizaje de habilidades ofrece un modelo útil para el estudio de la plasticidad, ya que puede ser fácilmente manipulado en un entorno experimental. En particular, la composición musical (por ejemplo, aprender a cantar o tocar un instrumento musical) es una actividad que normalmente se inicia temprano en la vida, mientras que el cerebro es más sensible a los cambios plásticos, y con frecuencia se continúa durante toda la vida de los músicos. Por otra parte, tocar música implica múltiples modalidades sensoriales y de planificación motora, de preparación y de ejecución. La idea de que la práctica musical puede ser un fuerte estimulador multimodal para la plasticidad cerebral se remonta a principios del siglo XX, cuando Ramón y Cajal (1.904-1.999) argumentó que la experiencia de la música se asocia con cambios anatómicos en el cerebro.

Tocar un instrumento musical es una experiencia rica y compleja que implica integrar la información de los sentidos de la vista, el oído y el tacto, así como los movimientos finos, y aprender a hacerlo puede inducir cambios a largo plazo en el cerebro. Los músicos profesionales son intérpretes altamente cualificados que pasan años de entrenamiento, y proporcionan un laboratorio natural en el que los neurocientíficos pueden estudiar cómo se producen  tales cambios – referidos a la plasticidad que depende de la experiencia- a lo largo de toda la vida útil.

Cambios en la estructura cerebral

Los estudios iniciales que exploraron el cerebro revelaron diferencias significativas en la estructura del cerebro entre los músicos y los no músicos de la misma edad. Por ejemplo, el cuerpo calloso, un haz masivo de fibras nerviosas que conectan los dos hemisferios del cerebro, es significativamente mayor en los músicos. Las áreas del cerebro implicadas en el movimiento, la audición y las habilidades visuales y espaciales también parecen ser mayores en los pianistas profesionales. Y el área dedicada a las sensaciones táctiles de procesamiento de la mano izquierda se incrementa en los violinistas.

Algunos estudios científicos han comparado datos de diferentes grupos de personas en un momento dado en el tiempo. Como tal, no podían determinar si las diferencias observadas habían sido  realmente causadas por la formación musical, o si las diferencias anatómicas existentes predisponían a algunos a convertirse en músicos. Pero más tarde, otros estudios longitudinales diseñados para hacer un  seguimiento de personas a través del tiempo, han demostrado que los niños pequeños tras  14 meses de formación musical exhiben significativos cambios cerebrales tanto  estructurales como  funcionales en comparación con aquellos que no reciben formación musical.

En conjunto, estos estudios muestran que aprender a tocar un instrumento musical no sólo aumenta el volumen de materia gris en varias regiones del cerebro, sino que también puede fortalecer las conexiones de largo alcance entre ellas. Otras investigaciones muestran que la formación musical también mejora la memoria verbal, el razonamiento espacial y las habilidades de alfabetización, de tal manera que los músicos profesionales por lo general superan a los no-músicos en estas habilidades.

¿Los músicos resultan beneficiados a largo plazo?

Es importante destacar que los estudios de exploración del cerebro muestran que la magnitud de los cambios anatómicos en los cerebros de los músicos están estrechamente relacionados con la edad en que se comenzó la formación musical, y la intensidad del entrenamiento. Los que comenzaron a aprender música a la edad más temprana mostraron los mayores cambios en comparación con los no-músicos.

Incluso cortos periodos de formación musical en la primera infancia pueden tener beneficios duraderos. En un estudio de 2013, por ejemplo, los investigadores reclutaron a 44 adultos mayores y los dividieron en tres grupos en función del nivel de formación musical que habían recibido como niños. Los participantes en el primer grupo no habían recibido ninguna formación en absoluto; los del segundo grupo había tenido cierta enseñanza musical, que se define como entre uno y tres años de clases; y aquellos del tercer grupo,  habían recibido moderados niveles de formación (de 4 a 14 años).

Los investigadores sometieron a los participantes a escuchas de  grabaciones de discursos complejos, y utilizaron electrodos en el cuero cabelludo para medir el tiempo de las respuestas neuronales en una parte del tronco cerebral auditivo. A medida que envejecemos, se deteriora el tiempo de respuesta, lo que dificulta la comprensión del habla, especialmente en ambientes con mucho ruido de fondo. Los participantes que habían recibido cantidades moderadas de formación musical exhibieron  respuestas neuronales más rápidas, lo que sugiere que el entrenamiento incluso limitado en la infancia puede preservar el procesamiento sostenido de los sonidos del habla, y aumentar la resistencia al deterioro relacionado con la edad en la audición.

Más recientemente, se ha hecho evidente que la formación musical facilita la rehabilitación de pacientes que se recuperan de un accidente cerebrovascular y otras formas de daño cerebral, y algunos investigadores sostienen ahora que también se podría impulsar la transformación y el aprendizaje del habla en los niños con dislexia y otros trastornos del lenguaje. Lo que es más, los beneficios de la formación musical parecen persistir durante muchos años, o incluso décadas, y la imagen que surge de todo esto, evidencia  que aprender a tocar un instrumento musical en la infancia protege el cerebro contra el deterioro cognitivo y la demencia.

 

La música llega a partes del cerebro a los que no se llega con estímulos simples. La música es un fuerte estímulo cognitivo que hace crecer el cerebro de una manera que no está al alcance de ningún otro estímulo, y la evidencia de que la práctica musical mejora cosas como la memoria de trabajo y el lenguaje, es muy robusta.

Aprender a tocar un instrumento musical, por tanto, parece ser una de las formas más eficaces que hay para el desarrollo del cerebro. La práctica musical puede inducir diversos cambios estructurales y funcionales en el cerebro, dependiendo de qué instrumento se está aprendiendo, y de la intensidad con que se practica. Es un ejemplo de cómo la experiencia a lo largo de  toda la vida puede alterar el cerebro para que se adapte a la idiosincrasia del estilo de vida de su propietario.

Basado en https://mitpress.mit.edu/books/neuroplasticity

¿Y si no supieras como moverte cuando cierras los ojos?.

 

La propiocepción y el gen PIEZO2

Haz una prueba rápida: Cierra los ojos por un segundo y tratar de tocarte la nariz.

¿Lo has conseguido?. Bien. La razón por la que puedes – por la  que se puede encontrar un objetivo incluso sin verlo - es debido a algo que se llama propiocepción, el conocimiento instintivo de la posición de nuestro cuerpo en el espacio. El mundo desaparece cuando cerramos los ojos, pero el sentido de nuestro propio cuerpo se mantiene alerta.

Excepto que, en un número muy pequeño de personas, no lo hace. Según un artículo publicado en la revista científica The New England Journalof Medicine, los científicos han identificado dos personas, una niña de 9 años de edad y una mujer de 19 años de edad, que parecen carecer totalmente del sentido de la propiocepción, como resultado de una mutación genética que puede arrojar algo más de luz sobre la manera de cómo y porqué nos movemos en la forma en que lo hacemos.

Los pacientes: La niña y la mujer, ambas  pacientes del neurólogo Carsten Bonnemann de los Institutos Nacionales de Salud, NIH,  "comparten un conjunto de síntomas físicos, incluyendo las caderas, los dedos y los pies que se doblan en ángulos inusuales", según publica The New England Journal of Medicine. También mostraban escoliosis, una curvatura inusual de la columna vertebral. Y, significativamente,  “tenían dificultad para caminar, mostrando una extrema falta de coordinación, y no podían sentir físicamente los objetos puestos en contacto con su piel ".

El problema: El síntoma más intrigante, sin embargo, se hizo evidente cuando Bonnemann y su equipo vendaron los ojos de las pacientes. Con su visión anulada, estas dos personas no podían caminar en línea recta sin tropezar. No eran capaces de  mover su dedo desde su nariz a un punto delante de sus caras. Cuando los investigadores subieron y bajaron los brazos de estas pacientes, los sujetos no podían decir en qué dirección se movían sus extremidades. En pocas palabras, era como si se basaran totalmente en la visión para encontrar la manera de moverse. Sin embargo, tenían la capacidad de realizar una serie de tareas, tales como caminar, hablar, y escribir, que se consideran que dependen en gran medida de la propiocepción.

Los científicos repitieron sus pruebas con los pacientes dentro de una máquina de resonancia magnética. Los cerebros de las personas sanas muestran la activación en una región del cerebro vinculada a experimentar la sensación física, pero esta activación faltaba en los cerebros de la mujer joven y la chica. En cambio, cuando los investigadores cepillaron los pelillos de la piel de las pacientes, las dos mostraron actividad cerebral en una región diferente relacionada con la respuesta emocional al tacto. No podían sentir físicamente el cepillo, explica Chesler, pero experimentaban algo así como una reacción emocional a su toque.

Por último, los investigadores hicieron que las pacientes agarraran un dispositivo que poco a poco se calentaba o se enfriaba hasta llegar a ser doloroso. Sorprendentemente, las pacientes eran tan buenas como el grupo de control en la determinación de los cambios de temperatura y la sensación de dolor.

El diagnóstico: Cuando los investigadores secuenciaron los genomas de las pacientes, descubrieron que compartían la misma mutación en un gen llamado PIEZO2, que controla el tacto y el movimiento. En conjunto, la mujer y la niña son los primeros casos documentados de esta mutación específica en los seres humanos, aunque los investigadores especularon que una vez descubierta, pueden aparecer mas casos con la misma anomalía.

Es posible, como estas dos pacientes han demostrado, ir por la vida sin la propiocepción, una sensación  que antes se consideraba indispensable. Ellas han aprendido a utilizar su vista para compensarlo, lo que les permite hacer las mismas tareas físicas que cualquier otra persona, siempre y cuando mantengan los ojos abiertos.

No era la rareza de la enfermedad lo que más sorprendió a Chesler cuando conoció a la niña y la mujer joven; fue el hecho de que cuando los científicos habían eliminado previamente el gen PIEZO2 en modelos de ratón, siempre había resultado fatal. La mayoría de los científicos asumió, por tanto,  que no se podía vivir sin este gen en perfecto estado.

Y ahora que ya lo han descubierto, los investigadores planean también investigar el papel que este gen desempeña en las personas con sentidos normales de la propiocepción. Puede ser posible que diferentes mutaciones en este gen ayuden a determinar el estilo general del movimiento de una persona: si es torpe, coordinada, o algo intermedio. "¿Podría un gen PIEZO2 finamente sintonizado contribuir al rendimiento deportivo superior, o un gen mal afinado a la torpeza?" opinó Bonnemann. "Creo que no es imposible."

Está menos claro cómo el gen PIEZO2 podría relacionarse con las deformidades esqueléticas de las pacientes. Una posibilidad es que las proteínas controladas por el gen desempeñen un papel clave, aún desconocido, en el desarrollo. Otra, según hacen notar Chesler y Bonnemann, es que la propiocepción en sí podría ser necesaria para el desarrollo normal del esqueleto. Sin él, el cuerpo no puede mantener una postura recta ni orientar sus articulaciones correctamente, lo que podría conducir a un desarrollo óseo anormal en el tiempo.

Un extraño caso de “enfermedad rara” que ha podido ser diagnosticada gracias a los avances en genómica y neurociencia. Quedan muchas mas por diagnosticar adecuadamente. Afortunadamente, la ciencia viene en nuestra ayuda.

Neurociencia y la improvisación en el jazz

La improvisación es el sello distintivo de la música de jazz, sin duda su característica más destacada.

Cuando improvisan, los músicos componen y tocan al mismo tiempo, uno de los ejemplos más notorios de creatividad espontánea. Lo que ocurre en el cerebro durante la improvisación es en gran parte un misterio, pero su estudio puede ayudarnos a obtener una idea sobre las bases que subyacen tras este proceso creativo.

La capacidad del arte para servir como un medio de expresión emocional y  comunicación emocional ha sido sin duda una de las razones fundamentales de la omnipresencia del arte a través de todas las culturas en la historia humana.

Los medios creativos como la pintura, la poesía, la danza, el cine y la música evocan emociones intensas, tanto para los artistas como para el público, permitiendo que los seres humanos experimenten y compartan una amplia gama de respuestas emocionales dentro de un espacio seguro. La emoción a menudo sirve como un catalizador para la expresión creativa, y por lo tanto es crucial para entender cómo la emoción afecta a los mecanismos neuronales que dan lugar a la creatividad, y también para entender cómo la expresión artística creativa puede modular los sistemas neuronales responsables del procesamiento de las emociones.

La mayor parte de la literatura sobre la música y las emociones se centra en la forma en que percibimos la música y cómo altera nuestras emociones. Pero pocos trabajos abordan el problema inverso, es decir, cómo funciona el cerebro para expresar emociones a través de la música.

Hay una buena razón para esto: para estudiar qué áreas del cerebro responden a tareas específicas, los neurólogos utilizan escáneres de resonancia magnética funcional, que miden cambios en el flujo de sangre en el cerebro. Los escáneres son estrechos y ruidosos, y los sujetos tienen que acostarse, limitando así los tipos de experimentos que se pueden realizar.

Pero estos problemas técnicos no desanimaron a Charles Limb y su equipo en la Escuela de Medicina  Johns Hopkins, que estaban interesados ​​en escudriñar el interior del cerebro de los músicos de jazz, mientras se dedicaban a la improvisación.

¿Cómo lo lograron?

En su último experimento, el grupo de Limb quería poner a prueba dos hipótesis. La primera era que cuando la improvisación era impulsada por las emociones, los patrones de activación de las regiones del cerebro podrían ser diferentes. Y puesto que escuchar música puede ser agradable, independientemente de si es música feliz o triste, su segunda hipótesis era que la improvisación provocada por emociones, tanto positivas como negativas, estimularía las áreas de recompensa del cerebro (es decir, las áreas cerebrales que participan en el deseo y el hedonismo) de una manera similar.

La emoción es un incentivo principal para los comportamientos creativos, y sin embargo, la interacción entre los sistemas neuronales implicados en la creatividad y los involucrados en la emoción no han sido estudiados. En la investigación a que nos referimos, se ha abordado este vacío mediante el uso de resonancia magnética funcional para examinar la improvisación en el  piano en respuesta a las señales emocionales.

Para probar estas ideas se  reclutaron a 12 pianistas de jazz profesionales y se les pidió que improvisaran pequeñas piezas de música en el interior de un escáner en respuesta a las emociones evocadas por las fotografías de una actriz que representaba emociones  positivas, negativas o ambiguas.

Para superar los problemas técnicos mencionados anteriormente, los investigadores llegaron a algunas soluciones innovadoras. En primer lugar, se pusieron en contacto con un ingeniero que diseñó un teclado en  miniatura, no magnético, de treinta y cinco teclas y que podía situarse en el regazo de los sujetos de investigación. Los pianistas podían escuchar el sonido del piano a través de auriculares electrostáticos situados en su oreja, por lo que podían oír lo que tocaban. Además, se instaló un sistema de espejos dentro del scanner para que los sujetos pudieran ver el teclado. El estudio de la creatividad requiere ideas creativas.

Aunque no hay reglas estrictas en la música, en la cultura occidental las escalas mayores son comúnmente asociadas con estados de ánimo más felices, mientras que las escalas menores tienen un sabor más oscuro y triste. Consistentemente, cuando se pidió a los sujetos que reprodujeran música evocada por las emociones positivas, en su mayoría utilizaron escalas mayores, mientras que las emociones negativas se expresaron con escalas menores y para las emociones ambiguas utilizaron  indistintamente ambos modos. Estas observaciones confirman que el entorno experimental era fiable y las fotografías evocaban las emociones correctas.

Las mediciones de resonancia magnética funcional permiten controlar qué partes del cerebro se activan o desactivan en cada situación. Independientemente de la emoción que subyace en cada improvisación, el acto de improvisar por sí tenía algunos efectos perceptibles en el cerebro. Estos incluyen la activación del área de Broca, una región implicada en la producción del habla, y la desactivación de la corteza prefrontal dorsolateral, un rasgo que se asocia a entrar en el llamado "estado de flujo", un estado mental en el que los individuos se muestran completamente absorbidos por la tarea que están haciendo.

Como hipótesis de los investigadores, las improvisaciones impulsadas ​​por las emociones alterarían el cerebro de manera diferente a la improvisación no emocional, lo que significaría que la red neuronal funcional responsable de la creatividad puede ser modulada por el estado emocional. Los patrones de activación y desactivación de las regiones del cerebro también serían diferentes a los que normalmente se observan cuando la gente simplemente escucha música.

Sin embargo, para su sorpresa, las  improvisaciones positivas y negativas tienen diferentes impactos en las áreas del cerebro implicadas en la recompensa y en el estado de flujo. La desactivación de la corteza prefrontal era extremadamente pronunciada durante las improvisaciones positivas cuando se comparaba con la producida por las emociones negativas o ambiguas, lo que indica estados de flujo más profundos. Las improvisaciones negativas, por el contrario, activan una región de recompensa llamada substantia nigra (una parte del cerebro que produce dopamina, el neurotransmisor asociado a la recompensa, y que puede estar asociada al aprendizaje), y  que los autores creen que podría implicar un aumento de la "conciencia visceral". Las implicaciones son que la expresión de la felicidad o la tristeza a través de la música puede ser placentera por diferentes razones y puede estar mediada por diferentes sistemas neurobiológicos.

La investigación  nos muestra que la actividad en el área prefrontal y otras redes del cerebro implicadas en la creatividad está muy modulada por el contexto emocional. La interacción emocional modula directamente la conectividad funcional de las áreas límbicas y paralímbicas como la amígdala y la ínsula. Estos hallazgos sugieren que la emoción y la creatividad están estrechamente vinculadas, y que los mecanismos neuronales que subyacen a la creatividad pueden depender del estado emocional.

La imagen que surge de estos estudios es que las redes neuronales utilizadas durante la improvisación son increíblemente complejas y dependientes del contexto. La creatividad utiliza todos los recursos disponibles del cerebro, desde los centros de recompensa a las  áreas del procesamiento del lenguaje, y las combina de diferentes maneras.

En resumen, esta investigación muestra que el impulso para crear música emocionalmente expresiva puede tener un origen neural básico: la emoción modula los sistemas neuronales implicados en la creatividad, lo que permite a los músicos involucrar a los centros límbicos del cerebro y entrar en estados de flujo. El impulso humano para expresar emociones a través del arte puede derivar de estos cambios generalizados en el límbico, las áreas prefrontales y las áreas de recompensa durante la expresión emocional. Dentro de la improvisación del jazz, ciertos estados emocionales pueden conducir a los músicos a estados de flujo más profundos o a una  estimulación más robusta de los centros de recompensa.

La expresión creativa de la emoción a través de la música puede implicar mecanismos más complejos para el proceso de las emociones por el cerebro, en comparación con la percepción de la emoción por sí sola. Se necesitan estudios adicionales de cómo el estado emocional modula la creatividad en ámbitos no artísticos, como la toma de decisiones y las interacciones sociales. Los estudios futuros también deben examinar si existe un efecto del género en la expresión emocional a través de la música, y si los resultados neurales se alteran si los sujetos usan ambas manos durante la improvisación. Este estudio examina sólo uno de los muchos posibles factores que podrían influir en las bases neuronales de la creatividad humana, y hay un amplio margen para la investigación. 

Además la comprensión de cómo la emoción influye en la creatividad tanto en contextos artísticos como no artísticos será crucial para la derivación de un modelo neuronal más completo y preciso de la creatividad humana.

Basado en: 

1. McPherson MJ, Barrett FS, Lopez-Gonzalez M, Jiradejvong P, Limb CJ. (2016) Emotional Intent Modulates The Neural Substrates Of Creativity: An fMRI Study of Emotionally Targeted Improvisation in Jazz Musicians. Sci Rep 6:18460. doi:10.1038/srep18460. ↩

La risa y la ciencia que hay tras ella

No nos reímos  cuando pensamos que lo hacemos. Según un estudio científico llevado a cabo por Sophie Scott, de la Universidad de Londres,  si se pregunta a la gente lo que la hace reír, hablarían de chistes y humor, pero con mayor frecuencia nos reímos  cuando conversamos con otras personas. Realmente, con los chistes nos reímos muy poco. La risa es mas bien una emoción social que se utiliza  para generar y mantener los lazos sociales.

En general, la risa que emitimos es muy aguda, muy por encima del sonido que producimos cuando se trata de cantar, por ejemplo. La risa es también una manera muy primitiva de emitir un sonido.

También hacemos ruidos muy extraños cuando nos reímos - desde sibilancias y chirridos a jadeos y resoplidos - y cada sonido simplemente refleja la contracción de los músculos que tenemos en el pecho y que están exprimiendo el aire de nuestras cajas torácicas bajo presiones muy altas.

Las imágenes de resonancia magnética muestran que cuando alguien se ríe, no hay movimiento real de la lengua, la mandíbula, el paladar blando y los labios. Toda la acción está sucediendo en la caja torácica.

Los sonidos de la risa los producimos de maneras muy simples (a diferencia del habla) y están controlados por el sistema evolutivamente "más viejo" del cerebro, que se ocupa de la vocalización en todos los mamíferos (a diferencia del habla). Esta es la razón por la que un derrame cerebral puede robar a alguien  la capacidad de hablar, pero le mantiene la capacidad  de reír y llorar. Esas personas pueden sufrir daños en las áreas del cerebro que les permiten hablar, pero el sistema emocional mas antiguo se mantiene intacto, ya que anatómicamente está situado en las profundidades del cerebro.

La gente reconoce la risa como risa, incluso si se produce por alguien de una cultura muy poco familiar. Los Himba producen un sonido casi de canto como "ay-ay-ay" cuando  están celebrando algo. Su expresión es completamente distinta a la que acostumbramos en otras culturas, pero la expresión de la risa, sin embargo,  es universal.

Los investigadores  Disa Sauter y Frank Eisner, colaboradores de la investigadora Sophia Scott,  fueron a Namibia varias veces para trabajar con el pueblo Himba y el único sonido positivo reconocido, que hicieron los Himba (y viceversa) era la risa.

Las expresiones no verbales, como la risa,  se asocian con frecuencia a expresiones de emoción. Estas emociones se denominan básicas, porque se reconocen en  todos los grupos humanos y también se encuentran en otros mamíferos. Esto explica por qué algunas emociones son bastante similares en todas las especies, por ejemplo en la imagen que muestra las similitudes entre la cara de un ser humano enojado y un lobo enojado.

La risa es una expresión emocional no verbal y estos sonidos, que normalmente hacemos cuando experimentamos emociones muy fuertes, son más como llamadas animales que como nuestra habla normal. Las expresiones faciales de las emociones se reflejan en todas las especies.

Por supuesto, desde luego, no somos los únicos animales que ríen. La risa ha sido bien descrita en otros primates, como los chimpancés, los gorilas y los orangutanes.

Y curiosamente, siempre que encontramos la risa, sus raíces están en el cosquilleo y en el juego, tanto en  los humanos como en los gorilas o las ratas.

Todos los mamíferos juegan cuando son jóvenes y algunos mamíferos (como los seres humanos, las nutrias, las ratas y los  perros) juegan  durante toda su vida. Tal vez la risa ha evolucionado para ser una señal importante del juego, una señal de que nos estamos divirtiendo, nadie va a hacerse daño y esto es todo un divertimento.

Incluso hay una teoría de que esto es lo que sucede en la comedia: la gente está utilizando la comunicación de una manera lúdica y es por eso que nos reímos. Sin duda,  las raíces de toda risa se encuentran en las interacciones sociales.

La serotonina y la mutación MTHFR

La depresión se está convirtiendo en un problema cada vez más extendido en nuestra sociedad, alcanzando a volúmenes de población cada vez más importante.

En aproximadamente el 70% de los pacientes diagnosticados se produce una cierta mejora en el tratamiento con antidepresivos, pero una remisión completa ocurre solamente en 40 a 50% de las personas diagnosticadas con depresión. Con el fin de impulsar esta tasa de remisión decepcionante, necesitamos buscar algo que aumente la efectividad de los antidepresivos o que pueda utilizarse por separado, como indicación esencial  para casos leves.

Y existe  un suplemento considerado como alimento medicinal. Es seguro, y realmente funciona. Es una vitamina que es una forma de ácido fólico conocido como L-metilfolato.

El ácido fólico es una vitamina B esencial. Se conoce también como B9. Se encuentra en los vegetales de hoja verde, huevos, cereales y alimentos enriquecidos (por nombrar algunos). Cuando se toma como folato o ácido fólico en la dieta se absorbe por el intestino delgado, donde se convierte por una enzima específica en L-metilfolato. Este metabolito se utiliza para generar la serotonina, la norepinefrina y la dopamina, que son neurohormonas ampliamente relacionadas por la literatura científica como muy importantes para la regulación del humor.

Acido Fólico

Los científicos han identificado 40 mutaciones en el gen (conocido como MTHFR) responsable de producir la enzima que convierte el ácido fólico en L-metilfolato. Si hay una mutación en este gen, su capacidad para convertir el ácido fólico en L-metilfolato se reduce en un 34%. Si tiene dos mutaciones, se reduce en un 71%. ¿Y esto porqué es importante?

Si se tiene una enzima defectuosa, no se puede convertir el ácido fólico a L-metilfolato adecuadamente y los  niveles de serotonina, norepinefrina y dopamina van a empeorar notablemente. Y con ello, la sensación de bienestar personal. Y estas mutaciones de los genes son extremadamente comunes.

El tratamiento es simple: una receta de L-metilfolato. Si se toma en las cantidades adecuadas (7,5 a 15 miligramos) puede mejorar la depresión leve con relativa rapidez. En un estudio de pacientes de edad avanzada, la tasa de respuesta a las 6 semanas fue del 81%. Los resultados se ven a menudo en tan sólo dos semanas. Además, este compuesto se tolera bien sin efectos secundarios. No interactúa con otros medicamentos.

Los resultados observados en clínica son impresionantes. Cuando se trata a las personas con mutaciones MTHFR (con o sin depresión leve) con L-metilfolato, mejora su estado de ánimo y la frecuencia con la que duermen mejor. Los problemas relacionados tales como el síndrome del intestino irritable a menudo mejoran también.

Comprobar si se tiene la mutación en el gen MTHFR, con un simple análisis de sangre, podría ser de gran ayuda en el tratamiento de personas con  depresión leve, y también para aquellas personas en tratamiento farmacológico para depresiones más agudas. Aumentar los niveles de serotonina de una forma sana e inocua está a nuestro alcance.

En cualquier caso, una alimentación rica en B9, e incluso algún suplemento que contenga esta vitamina puede mejorar nuestro bienestar. ¿Por qué no probarlo?.

Potenciando nuestro cerebro con drogas inteligentes

Por Ana Toral

¿Qué pasaría si pudiéramos tomar una pastilla que mejorara nuestras capacidades cognitivas? ¿Y si esta pastilla pudiera ayudar a aprobar un examen, trabajar  de manera más eficiente, y ser verdaderamente multitarea?. En entornos de alta exigencia profesional, el uso de nootrópicos, o "drogas inteligentes", por personas sanas normales, se ha convertido en un lugar común. Pero, ¿qué son estos fármacos reclamados para mejorar la función cerebral? y ¿son seguros?

Durante siglos, nuestra civilización ha utilizado diversas sustancias para mejorar las funciones cognitivas. Las antiguas civilizaciones usaron alucinógenos en un esfuerzo por mejorar la comunicación con sus dioses. Hoy en día, la cafeína se consume comúnmente para aumentar la vigilia. Durante la última década, algunas personas han estado experimentando con estimulantes y activadores del glutamato para explorar sus habilidades como  potenciadores cognitivos. Esta es la principal hipótesis de la “optimización neuronal”: si un medicamento es eficaz para mejorar las capacidades cognitivas en personas con dificultades de funciones cognitivas y motoras, en trastornos como el Alzheimer, el Parkinson, la enfermedad de Huntington, o el ADHD (Trastorno por déficit de atención con hiperactividad), entonces  las personas sanas normales ¿no tendrían incluso más mejoras en las capacidades cognitivas, como la memoria, la creatividad, la motivación y las funciones ejecutivas?

La película Sin Límites dio a conocer a los  nootrópicos cuando se mostró el poder de un fármaco inteligente para desbloquear el potencial del cerebro. Por supuesto, no hay tal píldora que nos pueda transformar en un superman. Pero, existe un gran interés en encontrar la manera de hacer precisamente eso: mejorar la función cerebral. Y ¿cual es la ciencia detrás de los nootrópicos? Honestamente, no hay demasiada.  Sólo un puñado de estudios han investigado el uso, el efecto y el funcionamiento de los potenciadores cognitivos en la vida cotidiana de los individuos sanos.

Tal vez el ejemplo más conocido de un fármaco nootrópico es el metilfenidato, más comúnmente conocido como Ritalin. Este psicoestimulante se prescribe típicamente para tratar a individuos con TDAH (Trastorno por déficit de atención con hiperactividad) para que puedan mantener la concentración en una tarea. Sin embargo, también es utilizado por los estudiantes sanos como una ayuda para el estudio y para la realización de exámenes.

 ¿Cómo funciona el metilfenidato? Este fármaco bloquea la recaptación de la dopamina y la norepinefrina en la neurona presináptica. Normalmente, después de que la dopamina sea liberada en la hendidura sináptica, se transporta de vuelta a la neurona presináptica para una liberación posterior; cuando se inhibe la recaptación de la dopamina, esta se acumula en la hendidura sináptica, y continúa uniéndose a los receptores postsinápticos, manteniendo la excitación de la red neuronal en la que participa. Por lo tanto, cuando una persona toma Ritalin, experimenta unos efectos del aumento de la neurotransmisión de la dopamina y la norepinefrina mucho más largos de lo normal, que incluyen el aumento del estado de alerta, la disminución de la fatiga, y la mejora de la atención,  exactamente los efectos  de los que se beneficia una persona con TDAH.

Pero ¿cuáles son sus efectos en un cerebro normal? Numerosos estudios en animales han demostrado que los efectos dependen de la dosis. Altas dosis de metilfenidato en ratas adultas sanas han causado un aumento de la actividad locomotora y un deterioro de las habilidades de atención; las dosis moderadas mejoran las capacidades cognitivas y reducen la actividad motora; y las dosis muy bajas aumentan las habilidades de atención, sin afectar la actividad motora (Mehta et al., 2001).

¿Por qué se producen esas variaciones en la eficacia?. La respuesta tiene que ver con lo bien que la dopamina y la norepinefrina se unen a sus receptores. Cuando los niveles son óptimos, la dopamina se une a sus receptores D1 y la norepinefrina se une a sus receptores a2 con alta afinidad en la corteza prefrontal, donde ayuda eficientemente con las funciones ejecutivas. A niveles más altos, la dopamina comienza a unirse también a los receptores D2 y la norepinefrina se une a los receptores a1 y beta, que en conjunto disminuyen la capacidad de las neuronas en la corteza prefrontal para hacer lo que tienen que hacer (Arnsten y Li,2005).

¿Si acertamos con la dosis ya hemos encontrado la fórmula mágica?.  Incorrecto. A largo plazo, los efectos secundarios del uso de metilfenidato pueden ser muy profundos, especialmente en adultos y adolescentes jóvenes, que son los que abusan comunmente de este fármaco, y  el uso prolongado de estos fármacos puede causar cambios permanentes en el cerebro. Estudios en ratas jóvenes han demostrado que los tratamientos prolongados con metilfenidato pueden reducir de forma permanente la actividad de las neuronas excitadoras en la corteza prefrontal, dañando severamente las capacidades cognitivas de los sujetos. (Urban et al., 2012).

En la era de la "neurología cosmética", donde estamos tratando de mejorar nuestro cerebro, los riesgos del uso de drogas como el metilfenidato como potenciadores cognitivos a menudo se pasa por alto o se piensa que los beneficios inmediatos compensan el riesgo. Si bien el uso de algunos "potenciadores cognitivos", como Adderall (dextroanfetamina) y Provigil (modafinilo), son controvertidos, la mayoría de los nootrópicos utilizados habitualmente son a menudo mezclas de suplementos y estimulantes socialmente más aceptables, tales como los componentes del chocolate y el café. Estas pilas nootrópicas tienen como objetivo aumentar funciones específicas, como la agudeza y la concentración, o la cognición.

El riesgo de utilizar suplementos como nootrópicos es que están muy poco regulados. Se podría pensar que existen algunas normas que regulan este tipo de "drogas inteligentes", ya que tienen pautas muy estrictas para otros tipos de drogas, pero estas reglas no se aplican a los complementos. Y esta falta de control sobre su composición y dosificación puede crear serios problemas.

Dejando los riesgos aparte, ¿funcionan? En este momento, los efectos de potenciación del cerebro por los nootropicos no se han probado científicamente, pero algunos estudios clínicos han demostrado que ciertos compuestos pueden aumentar la memoria a corto plazo, reducir el tiempo de reacción, y mejorar la percepción espacial. Por ejemplo, algunos estudios han demostrado que la teanina, un aminoácido que se encuentra comúnmente en el té verde, puede ser neuroprotector (investigado por Kakuda, 2011), y podría aumentar los efectos de la cafeína sobre la velocidad y la precisión del procesamiento de la información. Aún así, no está claro si los principales efectos producidos por estos brebajes son reales o simplemente un efecto placebo.

Claramente, hay que aumentar la investigación para determinar la eficacia y seguridad de los fármacos inteligentes, y hay que hacerlo rápidamente, ya que más y más personas se están enamorando del potencial de mejora de la cognición que los nootrópicos ofrecen.

Basado en http://knowingneurons.com/2016/05/25/smart-drugs/

La formación de un conjunto de neuronas. Tras la hipótesis de Hebb.

Por: Ana Toral

Las neuronas que se activan juntas, realmente se conectan entre sí, según un nuevo estudio publicado en la revista Science, lo que sugiere que el ordenador de kilo y medio dentro de nuestro cráneo podría ser más maleable de lo que pensamos.

Neurocientíficos de la Universidad de Columbia han demostrado que un conjunto de neuronas entrenadas para activarse al unísono, podrían reactivarse incluso un día más tarde, únicamente activando una neurona del conjunto. Aunque se necesita más investigación, sus resultados sugieren que estas agrupaciones de neuronas activadas pueden formar los bloques de construcción básicos del aprendizaje y la memoria, como se había planteado en la hipótesis del psicólogo Donald Hebb en la década de 1940.

La construcción de nuevas redes neuronales en el cerebro

La hipótesis de Donald Hebb de que la coactivación de las neuronas conduce a la formación de conjuntos de neuronas, ha inspirado a los neurocientíficos durante décadas. La creación experimental de tales conjuntos ha sido un desafío técnico. Utilizando la estimulación optogenética de dos fotones con resolución de células individuales, el investigador Carrillo-Reid y sus colaboradores descubrieron que la activación recurrente de un grupo de neuronas crea un conjunto neuronal que se imprime en los circuitos cerebrales. La activación de una sola neurona puede llevar a la activación de todo el conjunto neuronal en un fenómeno llamado “establecimiento de patrón”. El conjunto neuronal artificial persiste durante días y puede ser reactivado en plazos de  tiempo posteriores, sin interferir con el circuito endógeno.

Los conjuntos neuronales son grupos coactivos de neuronas que pueden representar unidades básicas de los circuitos corticales. Estos conjuntos se podrían formar según la plasticidad de Hebb, por la que se refuerzan las sinapsis entre las neuronas coactivas. Un estudio del Laboratorio del Dr. Yuste muestra que la activación repetida, mediante la optogenética de dos fotones, de poblaciones neuronales pertenecientes a conjuntos neuronales, en la corteza visual de ratones despiertos, construye conjuntos neuronales que se reeditan de forma espontánea después de haber sido impresos y no perturban  a los preexistentes. Además, los conjuntos neuronales impresos se pueden recuperar mediante la estimulación de una única neurona y permanecen coactivos en los siguientes días. Sus resultados demuestran que la reconfiguración persistente de los circuitos corticales por la optogenética de dos fotones en conjuntos neuronales puede provocar  un “establecimiento de patrón”.

 Los investigadores “reprograman” un conjunto de neuronas con un fino haz de luz.

En esta foto de neuronas de ratón en vivo, se utilizaron técnicas de imagen de calcio para registrar la activación de neuronas individuales y sus pulsos de electricidad. (Laboratorio de Yuste / Universidad de Columbia)

"Siempre pensé que el cableado del cerebro era básicamente inalterable", comentó el autor principal del estudio, el Dr. Rafael Yuste, profesor de neurociencia en la Universidad de Columbia. "Pero entonces vi los resultados y dije '¡No puede ser, todo esto es maleable!". Estamos hablando de un ordenador plástico que está en constante aprendizaje y cambio. "

En una investigación realizada en Columbia, los investigadores fueron capaces de controlar y observar el cerebro de un ratón vivo usando las herramientas optogenéticas que han revolucionado la neurociencia en la última década. Un virus modificado por ingeniería genética, que contiene ADN para producir proteínas sensibles a la luz, se inyectó a un ratón de forma que llegara a las células específicas de su cerebro. Una vez dentro de una neurona, las proteínas generadas sensibles a la luz permitieron a los investigadores activar remotamente a  las neuronas que producían esta proteína mediante haces de luz, como si utilizaran un mando a distancia.

Al ratón se le dejó correr libremente en una cinta mientras que su cabeza se mantenía bajo un microscopio. Con un láser, los investigadores irradiaban luz a través de su cráneo para estimular un pequeño grupo de células en la corteza visual. Con un segundo láser, grabaron el  aumento de los niveles de calcio en cada neurona conforme se iba activando, recogiendo de este modo imágenes de la actividad de las células individuales.

En el vídeo de arriba, las neuronas que eran estimuladas repetidamente con el haz de luz formaban un conjunto neuronal que trabajaba conjuntamente. Podían  ser reactivadas como grupo, estimulando una única neurona del grupo, incluso hasta  un día más tarde. Los experimentos se detallan en un nuevo estudio publicado en la revista Science. (Yuste Lab / Universidad de Columbia)

Antes de la optogenética, los científicos tenían que abrir el cráneo e implantar electrodos en el tejido vivo para estimular las neuronas con electricidad y medir su respuesta. Incluso un cerebro de ratón de 100 millones de neuronas, casi una milésima del tamaño de la nuestra, era demasiado denso para obtener imágenes de calidad de los  grupos de neuronas.

 Rafael Yuste y sus colegas en la Universidad de Columbia consiguieron excitar  conjuntos de neuronas individuales, seleccionadas al azar en la corteza visual de ratones vivos, mediante la estimulación de dos fotones, mientras los animales corrían en una cinta rodante. Los investigadores pudieron distinguir entre las neuronas que se estimularon directamente por la luz y el grupo de neuronas que se activaban  indirectamente. Tras la estimulación repetida mediante haces de luz, los investigadores observaron que el mismo grupo de neuronas se activaba tras la emisión del haz de luz. Esta agrupación de neuronas inducida artificialmente era diferente de otros conjuntos de células que se activaban como resultado de un estímulo visual no provocado optogenéticamente utilizado de control.

La Optogenética ha permitido a los investigadores entrar en el interior del cerebro de forma no invasiva y controlar su actividad de forma mucho más precisa. En la última década, los investigadores han restaurado la vista y la audición a ratones ciegos o sordos, y han transformado en normales a ratones agresivos, mediante la manipulación de regiones específicas del cerebro.

El avance que permitió a los investigadores reprogramar un grupo de células en el cerebro es la culminación de más de una década de trabajo. Con muestras de tejido de la corteza visual del ratón, Yuste y sus colegas demostraron en un estudio realizado en 2003 publicado en la revista Nature que las neuronas coordinan su activación en pequeñas redes llamados conjuntos neuronales. Un año más tarde, demostraron que los conjuntos se activaban en patrones secuenciales en el tiempo.

A medida que mejoraban las técnicas para el control y la observación de las neuronas en los animales vivos, descubrieron que estos conjuntos neuronales están activos incluso sin estimulación. Utilizaron esta información para desarrollar algoritmos matemáticos para encontrar conjuntos neuronales en la corteza visual. Fueron capaces de mostrar, como lo habían hecho en las anteriores muestras de tejido, que los conjuntos neuronales en animales vivos también se activan uno tras otro en patrones secuenciales.

Estimulando los Circuitos Neuronales en el cerebro de ratón.

Con haces de  luz, los investigadores pueden convencer a un grupo de neuronas en la corteza visual de ratones vivos de que se activen conjuntamente.

Un grupo de neuronas estimuladas en los ratones despiertos con un estímulo visual (izquierda) comparado con el grupo de neuronas estimuladas a través de la optogenética (derecha)

Según el co-autor del estudio, Luis Carrillo-Reid, estudiante postdoctoral en el laboratorio del Dr. Yuste, la idea para este estudio nació de un experimento de control para asegurarse de que la técnica que utilizaban de estimulación de dos fotones podría estimular de forma fiable las mismas pocas neuronas. "Consistentemente vimos que cuando estimulábamos la misma área de la corteza cerebral varias veces, el mismo grupo de neuronas se activaba de forma simultánea. Esto nos llevó a preguntarnos si estábamos creando un nuevo circuito en el cerebro"

Después de que el equipo estimulara repetidamente  agrupaciones de neuronas asociadas con el conjunto neuronal de nueva creación que se activaba conjuntamente, la estimulación adicional de células individuales dio como resultado la activación de ese mismo conjunto en el  64,5 % del tiempo a lo largo de dos días consecutivos.

Comparando los grupos de neuronas estimuladas por la luz con neuronas activadas de forma natural dentro de la corteza visual, el equipo encontró que ambos contenían cantidades similares (entre 10 y 20 neuronas) y mostraron distribuciones similares en todo el cerebro. Pero la distancia media entre las neuronas dentro del conjunto estimulado artificialmente era más corta.

La estimulación lumínica de sólo el 8 por ciento de las neuronas dentro de un conjunto inició la activación de todo el grupo de células, lo que abre la cuestión de que es lo que hace que estas células sean únicas. ¿Estas células muestran una conectividad mas robusta, y son "más fuerte, digamos, cuando se trata de recordar?"

Otra pregunta abierta es si la activación neuronal concertada observada significa que las sinapsis se han formado de novo o que las sinapsis existentes se han fortalecido como resultado de la fotoestimulación.

El Dr. Daniel Javitt, profesor de psiquiatría en la Universidad de Columbia Medical Center, que no participó en el estudio, dice que el trabajo podría ser utilizado para restaurar los patrones normales de conexión en el cerebro de las personas con epilepsia y otros trastornos cerebrales. Sin embargo, hay grandes obstáculos técnicos que  tendrían que ser superados antes de que  las técnicas de optogenética se puedan  aplicar a los seres humanos.

Emparejando la tecnología de estimulación de dos fotones con la tecnología de obtención de imágenes de calcio de dos fotones, los investigadores pudieron documentar cómo las células individuales respondían a la estimulación mediante un haz de luz. Aunque en estudios previos se han activado y registrado células individuales, ninguno ha demostrado que un conjunto de neuronas pudiera ser activado conjuntamente para imprimir lo que llaman un "microcircuito neuronal" en el cerebro de un animal vivo.

"Si usted me hubiera dicho hace un año que podría estimular  20 neuronas en un cerebro de ratón de 100 millones de neuronas y alterar su comportamiento, yo le hubiera dicho que de ninguna manera”, explicó Yuste. "Es como la reconfiguración de tres granos de arena en la inmensidad de una playa."

Los investigadores creen que la red de neuronas activadas que han creado artificialmente puede haber implantado una imagen completamente desconocida para el ratón. Ahora están desarrollando un estudio de comportamiento para tratar de demostrarlo. A  Carrillo-Reid, Yuste, y sus colegas les gustaría probar si estos conjuntos de neuronas estimulados artificialmente pueden alterar el comportamiento animal. "El hecho de que podamos escribir una nueva actividad en el cerebro no quiere decir que estemos escribiendo una nueva memoria"

Esta investigación es parte de un proyecto norteamericano denominado Iniciativa BRAIN que surgió de una propuesta anterior de Yuste y sus colegas para desarrollar herramientas para el mapeo de la actividad cerebral de las moscas de la fruta a los mamíferos más complejos, incluidos los humanos.

Otros autores del estudio son Weijan Yang, Yuki Bando y Darcy Peterka, todos investigadores del Laboratorio de Yuste en Columbia. Los investigadores recibieron el apoyo del National Eye Institute, del National Institute of Mental Health, de la Defense Advanced Research Projects Agency y del U.S. Army Research office and laboratory.

Publicación Original en Science: L. Carrillo-Reid et al., “Imprinting and recalling cortical ensembles,” Science,doi:10.1126/science.aaf7560, 2016.