lunes, 14 de septiembre de 2020

Variabilidad en el conectoma humano. ¿Es lo que nos hace diferentes?

 


 Diferentes mamíferos muestran patrones comunes en las conexiones cerebrales. Pero nuestra propia especie tiene algunas características propias.


 

                     Imagen : Getty Images



¿Qué hace especial al cerebro humano? Esa pregunta no es fácil de responder y ocupará a los neurocientíficos durante las generaciones venideras. Pero ya se pueden vislumbrar algunas respuestas. El órgano es ciertamente más grande de lo esperado para nuestro tamaño corporal. Y tiene sus propias áreas especializadas, una de las cuales está dedicada al procesamiento del lenguaje. En los últimos años, los escáneres cerebrales han comenzado a mostrar que la forma particular en que las neuronas se conectan entre sí también es parte de la historia.

 

Una herramienta clave en estos estudios son las imágenes por resonancia magnética (IRM), en particular, una versión conocida como imágenes por tensor de difusión. Esta técnica puede visualizar las fibras largas que se extienden desde y hasta otras neuronas y unen las regiones del cerebro, sin tener que realizar cirugía invasiva. Al igual que los cables, estas conexiones transportan información eléctrica entre neuronas. Y el conjunto de todos estos vínculos, también conocido como conectoma, puede proporcionar pistas sobre cómo el cerebro procesa la información.

 

Una pregunta persistente sobre los conectomas tiene que ver con qué tienen que ver los patrones de cableado distintivos, si es que tienen algo que ver, con las diferencias cognitivas evidentes en un ratón, un mono o un humano. Una nueva metodología llamada Conectómica Comparativa ha identificado algunas reglas generales del cableado cerebral entre especies que pueden ayudar a proporcionar respuestas. Mientras tanto, también se han encontrado algunas facetas únicas del conectoma humano y se han descubierto cambios en las células encargadas del mantenimiento del cableado cerebral. Juntas, estas innovaciones evolutivas parecen mantener la información fluyendo de manera eficiente a través del  gran cerebro humano. Y cuando se interrumpen, pueden dar lugar a trastornos psiquiátricos.

 

Hipotéticamente, el conectoma más eficiente seguiría un diseño de uno a muchos, con cada célula nerviosa conectándose con todas las demás. Pero este enfoque es prohibitivamente inviable porque requiere mucho espacio para albergar todas estas conexiones y energía para mantenerlas funcionando. Alternativamente, un diseño uno a uno, en el que cada neurona se conecta a una única neurona, sería menos desafiante, pero también menos eficiente: la información tendría que atravesar una enorme cantidad de células nerviosas como trampolines para llegar del punto A al punto B.

 

"La vida real está en el medio", según Yaniv Assaf de la Universidad de Tel Aviv, quien ha publicado  un estudio de los conectomas de 123 especies de mamíferos en la revista científica Nature Neuroscience. Assaf abordó su investigación de una manera un tanto indirecta: lo que comenzó como un pasatiempo de fin de semana de escanear cerebros de murciélagos con su colega de Tel Aviv, Yossi Yovel, se convirtió en una exploración de siete años de tantos cerebros de mamíferos postmortem como pudieron conseguir de un instituto veterinario cercano, así como de humanos. Los investigadores observaron una variedad de cerebros, desde el cerebro de murciélago más pequeño, que requería una lupa para inspeccionarlo, hasta el peso pesado que supone un cerebro humano. Entre esos ejemplos se encontraban los cerebros de jirafas, tejones y vacas. Entre todos ellos, el equipo encontró los mismos patrones de conexiones en funcionamiento: la cantidad de escalones para llegar de un lugar a otro era aproximadamente la misma en cada uno de los órganos. Los diferentes  cerebros  se comprobó que utilizaban un diseño de cableado similar.

 

Sin embargo, hubo algunas diferencias en cómo se alcanzó este diseño. Las especies con pocas conexiones de largo alcance, que unen los dos hemisferios de su cerebro, tendían a tener conexiones más cortas dentro de cada hemisferio en las que las áreas cercanas “hablaban” intensamente entre sí. Las especies con conexiones de más largo alcance, como los humanos y otros primates, mostraban una reducción de estas redes locales.

 

Este enfoque de la conectividad puede reflejar las limitaciones geométricas al empaquetar un sistema nervioso en un cráneo. Pero las variaciones en estos vínculos dentro de una especie también pueden correlacionarse con diferentes habilidades. Si se  tiene una conectividad más densa en una región, es posible que se tenga una cierta capacidad sobreexpresada, que otros individuos no muestren."

 

Aunque los cerebros humanos siguen las mismas reglas para generar conexiones entre las neuronas que el resto de  los mamíferos, también muestran algunas innovaciones sorprendentes. En una comparación directa de conectomas humanos con los de los chimpancés, nuestros parientes vivos más cercanos, Martijn van den Heuvel de la Universidad de Vrije de Ámsterdam y el antropólogo James Rilling de la Universidad de Emory revelaron 33 conexiones humanas específicas. Estos enlaces únicos eran más largos y más importantes para la eficiencia de la red que las 255 conexiones que si se compartían en las dos especies. Las conexiones que se extienden a distancia también unieron áreas "asociativas" de alto nivel en la corteza cerebral que están involucradas en el lenguaje, el uso de herramientas y la imitación.

 

“El cerebro humano tiende a invertir más en mantener conectadas esas áreas asociativas”, según Van den Heuvel. Esta configuración podría permitir la integración eficiente de información de diferentes partes del cerebro, particularmente aquellas encargadas del procesamiento conceptual. "Creo que esta inversión es la que nos ha traído nuestras funciones cerebrales más complicadas".

 

Cuando Van den Heuvel y sus colegas analizaron las áreas del lenguaje, apareció una "huella digital de conectividad". Los chimpancés tienen sus propias versiones limitadas de las áreas de Broca y Wernicke, las regiones responsables de la producción y comprensión del lenguaje humano, respectivamente. Pero en los humanos, las conexiones entre los dos son más fuertes. Y las conexiones del área de Broca a otras regiones del cerebro son en realidad más débiles. Es como si las dos regiones se hubieran dedicado su poder de procesamiento entre sí y hubieran preparado el escenario para el lenguaje.

 

Sin embargo, las conexiones humanas específicas pueden formar un talón de Aquiles para los humanos. En un estudio publicado por Van den Heuvel, Rilling y sus colegas encontraron que las conexiones humanas específicas estaban más interrumpidas en la esquizofrenia. "Esto plantea la posibilidad de que la evolución de estas nuevas conexiones humanas haya tenido un costo"

 

Si bien estos estudios defienden la importancia evolutiva de las conexiones cerebrales, los métodos de obtención de imágenes no están exentos de errores. Tienen una resolución limitada, por lo que pueden perder una conexión que finaliza o que toma un giro. Este problema significa que el campo debe basarse en otras áreas de evidencia para confirmar los hallazgos.

 

La genómica puede llenar algunos vacíos. Un estudio publicado recientemente se centró en segmentos de ADN llamados potenciadores, que controlan si los genes están activados o desactivados. Menno Creyghton, del Centro Médico de la Universidad Erasmus en los Países Bajos, y sus colegas encontraron que ciertos potenciadores en humanos y chimpancés diferían significativamente de los de macacos y monos tití más distantes. Esta remodelación genómica tuvo lugar en células llamadas oligodendrocitos, que envuelven conexiones con vainas aislantes de mielina. Hacerlo asegura que las señales eléctricas lleguen rápidamente a su destino.

 

Creyghton sugiere que las neuronas están tratando de ponerse al día con la expansión del cerebro. “Estos oligodendrocitos necesitan reinventarse para facilitar este cerebro más grande”, “Así que tienes este cambio espectacular que te da un cerebro más grande. Y luego se necesitan muchas adaptaciones en el cerebro para lidiar con eso".

 

Basado en:

https://www.nature.com/articles/s41593-020-0641-7

https://www.pnas.org/content/116/14/7101.long

https://www.nature.com/articles/s41467-019-14269-w

https://academic.oup.com/brain/article/142/12/3991/5625575

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