Neurociencia de las experiencias cercanas a la muerte.

Históricamente, las personas que han tenido experiencias cercanas a la muerte (ECM) las describieron como felices o pacíficas, y los neurocientíficos aún no están seguros de por qué es así.

Las experiencias cercanas a la muerte se desencadenan durante episodios singulares potencialmente mortales cuando el cuerpo sufre un ataque cardíaco, un shock o un traumatismo como una explosión o una caída.

Estos eventos comparten amplios puntos en común: liberarse del dolor, ver una luz brillante al final de un túnel, o separarse del cuerpo y flotar sobre él e incluso volar al espacio.

El por qué la mente parece experimentar la lucha para mantener sus operaciones frente a una pérdida de flujo sanguíneo y oxígeno como algo positivo y maravilloso, en lugar de inducir al pánico, sigue siendo un misterio, cada vez mas cerca de ser descubierto por investigadores como Christof Koch, del Instituto Allen.

Imagen: Brian Stauffer

Paz más allá del entendimiento.

Las experiencias cercanas a la muerte, o ECM, se desencadenan durante episodios singulares que amenazan la vida cuando el cuerpo sufre un traumatismo grave, un ataque cardíaco, asfixia, shock, etc. Aproximadamente uno de cada 10 pacientes con paro cardíaco en un hospital experimenta un episodio de este tipo.  Miles de supervivientes de estas situaciones extremas cuentan que dejaron atrás sus cuerpos enfermos y se encontraron con un destino más allá de la existencia cotidiana, sin restricciones de los límites habituales del espacio y el tiempo. Estas experiencias poderosas y místicas pueden llevar incluso  a una transformación permanente de sus vidas

Las ECM no son vuelos elegantes de la imaginación. Comparten amplios puntos en común: liberarse del dolor, ver una luz brillante al final de un túnel y otros fenómenos visuales, separarse del cuerpo y flotar sobre él, o incluso volar al espacio (experiencias fuera del cuerpo). Pueden incluir el encuentro con seres queridos, vivos o muertos, o seres espirituales como los ángeles; un recuerdo proustiano o incluso una revisión de recuerdos de toda la vida, tanto buenos como malos ("mi vida brilló frente a mis ojos"); o un sentido distorsionado del tiempo y el espacio. Hay algunas explicaciones fisiológicas subyacentes para estas percepciones, como el estrechamiento progresivo de la visión del túnel. La reducción del flujo sanguíneo a la periferia visual de la retina significa que la pérdida de visión ocurre allí primero.

Las ECM pueden ser experiencias positivas o negativas. Es probable que la publicidad en torno a las ECM haya acumulado expectativas sobre lo que las personas deberían sentir después de tales episodios. Parece posible, de hecho, que las ECM angustiosas no se informen de manera significativa debido a la vergüenza, el estigma social y la presión para conformarse con el prototipo de la ECM "feliz".

Para la mayoría, estos eventos  desvanecen su intensidad con el tiempo, y la normalidad finalmente se reafirma (aunque pueden dejar un trastorno de estrés postraumático a su paso). Pero las ECM se recuerdan con una intensidad y lucidez inusuales durante décadas.

Un estudio de 2017 realizado por dos investigadores de la Universidad de Virginia planteó la cuestión de si la paradoja de la cognición mejorada, que se produce junto con la función cerebral comprometida durante una ECM, podría descartarse como un vuelo de la imaginación. Los investigadores administraron un cuestionario a 122 personas que informaron de haber tenido una experiencia cercana a la muerte (ECM). Les pidieron que compararan los recuerdos de sus experiencias con los de eventos reales e imaginarios de la misma época. Los resultados sugieren que las ECM se recordaron con mayor intensidad y detalle que las situaciones reales o imaginarias. En resumen, las ECM fueron recordadas como "más reales que cualquier evento real".

Las Experiencias cercanas a la muerte llamaron la atención del público en general en el último cuarto del siglo XX por el trabajo de médicos y psicólogos, en particular Raymond Moody, quien acuñó el término "experiencia cercana a la muerte" en su best seller de 1975, Vida después de la vida, y Bruce M. Greyson, uno de los dos investigadores en el estudio mencionado anteriormente, que también publicó El manual de experiencias cercanas a la muerte en 2009. Al darse cuenta de los patrones de lo que la gente compartía sobre sus historias cercanas a la muerte, estos investigadores convirtieron un fenómeno antes ridiculizado como fabulación o descartado como alucinación febril (visiones del lecho de muerte de antaño) en un campo de estudio empírico.

Hay que aceptar la realidad de estas experiencias intensamente sentidas. Son tan auténticas como cualquier otro sentimiento o percepción subjetiva. Pero desde un planteamiento científico, sin embargo, hay que operar bajo la hipótesis de que todos nuestros pensamientos, recuerdos, percepciones y experiencias son una consecuencia ineludible de los poderes causales naturales de nuestro cerebro, en lugar de los sobrenaturales. Esa premisa ha servido a la ciencia y a su doncella, la tecnología, extremadamente bien en los últimos siglos. A menos que exista evidencia objetiva extraordinaria, convincente de lo contrario, no hay ninguna razón para abandonar esta suposición.

Experiencias místicas similares se obtienen comúnmente al ingerir sustancias psicoactivas de una clase de alucinógenos vinculados al neurotransmisor serotonina, incluida la psilocibina (el ingrediente activo en los hongos mágicos), LSD, DMT (también conocida como la molécula de espíritu) y 5-MeO-DMT (también conocido como la Molécula de Dios), consumida como parte de prácticas religiosas, espirituales o recreativas.

El descubrimiento esperado

Debe recordarse que las Experiencias cercanas a la muerte han estado con nosotros en todo momento en todas las culturas y en todas las personas, jóvenes y viejas, devotas y escépticas (piense, por ejemplo, en el llamado Libro Tibetano de los Muertos, que describe la mente antes y después de la muerte). Para aquellas personas  criadas en tradiciones religiosas, cristianas o de otro tipo, la explicación más obvia es que se les concedió una visión del cielo o el infierno, de lo que les espera en el más allá. Curiosamente, las ECM no tienen más probabilidades de ocurrir en creyentes devotos que en sujetos seculares o no practicantes.

La secuencia neurológica subyacente de eventos en una experiencia cercana a la muerte es difícil de determinar con precisión debido a la variedad vertiginosa de formas en que el cerebro puede dañarse. Además, las ECM no golpean cuando el individuo está acostado dentro de un escáner magnético o tiene el cuero cabelludo cubierto por una red de electrodos.

Sin embargo, es posible hacerse una idea de lo que sucede al examinar un paro cardíaco, en el que el corazón deja de latir. El paciente, sin embargo, no ha muerto, porque el corazón se puede volver a poner en marcha mediante la reanimación cardiopulmonar.

La muerte moderna requiere una pérdida irreversible de la función cerebral. Cuando el cerebro carece de flujo sanguíneo (isquemia) y oxígeno (anoxia), el paciente se desmaya en una fracción de minuto y su electroencefalograma, o EEG, se vuelve isoeléctrico, en otras palabras, plano. Esto implica que la actividad eléctrica a gran escala, distribuida espacialmente dentro de la corteza, la capa más externa del cerebro, se ha anulado. Al igual que una ciudad que pierde energía un barrio después de otro, las regiones locales del cerebro se desconectan una tras otra. La mente, cuyo sustrato es cualquier neurona que siga siendo capaz de generar actividad eléctrica, hace lo que siempre hace: cuenta una historia conformada por la experiencia, la memoria y las expectativas culturales de la persona.

Dados estos cortes de energía, esta experiencia puede producir historias bastante extrañas e idiosincráticas que constituyen el corpus de informes de Experiencias cercanas a la muerte. Para la persona que lo experimenta, la ECM es tan real como cualquier cosa que la mente produzca durante la vigilia normal. Cuando todo el cerebro se apaga debido a la pérdida total de energía, la mente se extingue, junto con la conciencia. Si se restablece el oxígeno y el flujo sanguíneo, el cerebro se inicia y se reanuda el flujo narrativo de la experiencia.

Los científicos grabaron en video, analizaron y diseccionaron la pérdida y la posterior recuperación de la conciencia en individuos altamente capacitados: pilotos de prueba y astronautas de la NASA que se introdujeron en centrifugadoras. A una velocidad de rotación de alrededor de cinco veces la fuerza de la gravedad, el sistema cardiovascular deja de suministrar sangre al cerebro y el piloto se desmaya. Aproximadamente 10 a 20 segundos después de que estas grandes fuerzas g cesen, la conciencia regresa, acompañada de un intervalo comparable de confusión y desorientación (los sujetos en estas pruebas obviamente están muy en forma y se enorgullecen de su autocontrol).

El rango de fenómenos que estos hombres relatan puede equivaler a una experiencia cercana a la muerte: visión de túnel y luces brillantes; sensación de despertar del sueño, incluida la parálisis parcial o completa; una sensación de flotación pacífica; experiencias fuera del cuerpo; sensaciones de placer e incluso euforia; y sueños cortos pero intensos, a menudo involucrando conversaciones con miembros de la familia, que permanecen vívidos para ellos muchos años después. Estas experiencias intensamente sentidas, desencadenadas por un estrés físico específico, generalmente no tienen ningún carácter religioso (quizás porque los participantes sabían de antemano que estarían estresados ​​hasta que se desmayaran).

Imagen: Brian Stauffer

El desvanecimiento de la luz

Muchos neurólogos han notado similitudes entre las ECM y los efectos de una clase de eventos epilépticos conocidos como crisis parciales complejas. Estos eventos perjudican parcialmente la conciencia y, a menudo, se localizan en regiones cerebrales específicas de un hemisferio. Pueden estar precedidos por un aura, que es una experiencia específica exclusiva de un paciente individual que predice un ataque incipiente. La convulsión puede estar acompañada de cambios en los tamaños percibidos de los objetos; sabores, olores o sensaciones corporales inusuales; déjà vu; despersonalización o sentimientos de éxtasis.

Los neurocirujanos pueden inducir tales sentimientos de éxtasis estimulando eléctricamente una parte de la corteza cerebral llamada ínsula en pacientes epilépticos que tienen electrodos implantados en su cerebro. Este procedimiento puede ayudar a localizar el origen de las convulsiones para una posible extirpación quirúrgica. Los pacientes dicen experimentar  felicidad, mayor bienestar y mayor autoconciencia o percepción del mundo externo. Excitar la materia gris en otros lugares puede desencadenar experiencias extracorporales o alucinaciones visuales. Este vínculo entre patrones de actividad anormales, ya sea inducidos por el proceso espontáneo de la enfermedad o controlados por el electrodo de un cirujano, y la experiencia subjetiva apuntan con toda certeza a un origen biológico, no espiritual. Es probable que lo mismo sea cierto para las Experiencias cercanas a la muerte.

El por qué la mente experimenta la lucha para mantener sus funcionamiento ante la pérdida del flujo sanguíneo y el oxígeno como algo positivo y maravilloso, en lugar de como inductor de pánico, sigue siendo un misterio. Sin embargo, es intrigante que al igual que en los episodios extremos de ECM, existan otras ocasiones en las cuales la reducción de oxígeno causa sensaciones placenteras de desvanecimiento, aturdimiento y excitación elevada: el buceo en aguas profundas, la escalada a gran altitud, el vuelo, el juego de asfixia o desmayo o la asfixia sexual.

Basado en:

The Handbook of Near-Death Experiences: Thirty Years of Investigation. Edited by Janice Miner Holden, Bruce Greyson and Debbie James. Praeger, 2009.

Leaving Body and Life Behind: Out-of-Body and Near-Death Experience. Olaf Blanke, Nathan Faivre and Sebastian Dieguez in The Neurology of Consciousness. Second edition. Edited by Steven Laureys, Olivia Gosseries and Giulio Tononi. Academic Press, 2015.

https://www.scientificamerican.com/article/what-near-death-experiences-reveal-about-the-brain/

Los trastornos mentales y sus posibles vínculos

Los psiquiatras se enfrentan a una variedad vertiginosa de diagnósticos y no hay suficientes tratamientos eficaces. Necesitamos conocer la biología subyacente a los trastornos mentales para mejorar tanto su diagnóstico como sus posibles tratamientos.  

En 2018, el psiquiatra Oleguer Plana-Ripoll se planteaba un hecho desconcertante sobre los trastornos mentales. Sabía que muchas personas tienen múltiples afecciones: ansiedad y depresión, o por ejemplo, esquizofrenia y trastorno bipolar. Quería saber qué tan común era tener más de un diagnóstico, por lo que consiguió el acceso a una base de datos que contenía los detalles médicos de unos 5,9 millones de ciudadanos daneses.

Le sorprendió lo que encontró. Cada trastorno mental predispone al paciente a cualquier otro trastorno mental, sin importar cuán distintos sean los síntomas. Se sabía que la comorbilidad era importante, pero se esperaba  encontrar asociaciones tan frecuentes.

El estudio aborda una pregunta fundamental que ha intrigado a los investigadores durante más de un siglo. ¿Cuáles son las raíces de la enfermedad mental?

Con la esperanza de encontrar una respuesta, los científicos han acumulado una enorme cantidad de datos durante la última década, a través de estudios de genes, actividad cerebral y neuroanatomía. Se ha encontrado evidencia de que muchos de los mismos genes subyacen a trastornos aparentemente distintos, como la esquizofrenia y el autismo, y que mucho de estos desordenes estaría correlacionados con alteraciones  en los sistemas de toma de decisiones del cerebro.

Los investigadores también están repensando drásticamente las teorías de cómo nuestro cerebro falla. La idea de que la enfermedad mental pueda clasificarse en categorías distintas y discretas como "ansiedad" o "psicosis" ha sido refutada en gran medida. En cambio, los trastornos se entrecruzan  entre sí y no hay líneas divisorias duras entre ellos.

Ahora, los investigadores están tratando de comprender la biología que subyace a esta variabilidad de los desórdenes mentales.

Y tienen algunas teorías.

 Tal vez hay varias dimensiones de la enfermedad mental, por lo que, dependiendo de cómo una persona se sitúe en cada dimensión, podría ser más propensa a algunos trastornos antes que a otros.

Una idea alternativa y más radical es que hay un factor único que hace que las personas sean propensas a las enfermedades mentales en general: el trastorno que desarrollan se determina luego por otros factores.

Ambas ideas se consideran seriamente, aunque el concepto de múltiples dimensiones es más ámpliamente aceptado por los investigadores.

Los detalles aún son confusos, pero la mayoría de los psiquiatras están de acuerdo en que una cosa está clara: el viejo sistema de categorizar los trastornos mentales en cajas ordenadas no funciona. También esperan que, a la larga, reemplazar este marco por uno basado en la biología conduzca a nuevos medicamentos y tratamientos.

 Los investigadores tienen como objetivo revelar, por ejemplo, los genes clave, las regiones cerebrales y los procesos neurológicos involucrados en la psicopatología, y tratarlos con terapias adecuadas.

Una mezcla heterogénea de trastornos

El desafío más inmediato es descubrir cómo diagnosticar a las personas. Desde la década de 1950, los psiquiatras han utilizado un volumen exhaustivo llamado DMS-5 “Manual diagnóstico y estadístico de los trastornos mentales”, actualmente en su quinta edición. Enumera todos los trastornos reconocidos, desde el autismo y el trastorno obsesivo compulsivo hasta la depresión, la ansiedad y la esquizofrenia. Cada uno está definido por los síntomas. La suposición inherente es que cada trastorno es distinto y surge por diferentes razones.

Sin embargo, incluso antes de que se publicara el DSM-5 en 2013, muchos investigadores argumentaron que este enfoque era defectuoso. Parecía claro que los pacientes no habían tenido conocimiento del  DSM y no se ajustaban a la descripción proporcionada por esta clasificación.

Pocos pacientes se ajustan a cada conjunto ordenado de criterios. En cambio, las personas a menudo tienen una mezcla de síntomas de diferentes trastornos. Incluso si alguien tiene un diagnóstico bastante claro de depresión, a menudo tiene síntomas de otro trastorno como la ansiedad.

Esto implica que la forma en que los médicos han dividido los trastornos mentales es incorrecta. Los psiquiatras han tratado de resolver esto dividiendo los trastornos en subtipos cada vez más finos. Pero el problema persiste: los subtipos siguen siendo un pobre reflejo de los grupos de síntomas que tienen muchos pacientes.

Finalmente, el principal financiador de ciencias de la salud mental del mundo, el Instituto Nacional de Salud Mental de EE. UU., cambió la forma en que financiaba la investigación. A partir de 2011, comenzó a exigir más estudios sobre la base biológica de los trastornos, en lugar de sus síntomas, en un programa llamado Criterios del Dominio de Investigación. Desde entonces ha habido una explosión de investigación sobre las bases biológicas de la psicopatología, con estudios centrados en la genética y la neuroanatomía, entre otros campos. Pero si los investigadores esperaban desmitificar la psicopatología, todavía tienen un largo camino por recorrer: el hallazgo clave ha sido cuán compleja es realmente la psicopatología.

Grupos controvertidos

Clínicamente, la evidencia de que los síntomas se comparten entre varios trastornos, o que las personas con frecuencia tienen más de un trastorno, solo se ha fortalecido. Por esta razón, aunque los síntomas individuales, como las alteraciones del estado de ánimo o las deficiencias en el razonamiento, pueden diagnosticarse de manera confiable, es difícil asignar a los pacientes un diagnóstico general como el "trastorno bipolar".

Incluso los trastornos aparentemente separados están vinculados. En 2008, la genetista Angelica Ronald, entonces en el Instituto de Psiquiatría del King's College London, y sus colegas, descubrieron que el autismo y el trastorno por déficit de atención con hiperactividad (TDAH) se superponían. Los rasgos del autismo y el TDAH estaban fuertemente correlacionados, y parcialmente bajo control genético.

Además, parece haber grupos de síntomas que cruzan los límites de los trastornos. Un estudio de 2018 examinó a personas que habían sido diagnosticadas con depresión mayor, trastorno de pánico o trastorno de estrés postraumático (TEPT). Los voluntarios fueron evaluados en función de sus síntomas, rendimiento cognitivo y actividad cerebral. Los investigadores encontraron que los participantes se dividían en seis grupos, caracterizados por estados de ánimo distintos, como "tensión" y "melancolía". Los grupos atraviesan las tres categorías de diagnóstico como si dichas categorías no existieran.

Muchos ahora están de acuerdo en que las categorías de diagnóstico son incorrectas. La pregunta es, con la biología como guía, ¿cómo debería ser el diagnóstico y el tratamiento psiquiátrico?

Dimensiones múltiples

Un modelo destacado es que hay una serie de rasgos neuropsicológicos o "dimensiones" que varían en cada persona. Cada rasgo determina nuestra susceptibilidad a ciertos tipos de trastorno. Por ejemplo, alguien puede ser propenso a trastornos del estado de ánimo como la ansiedad, pero no a trastornos del pensamiento como la esquizofrenia.

Esto es similar a la forma en que los psicólogos piensan sobre la personalidad. En un modelo bastante aceptado, cinco rasgos de personalidad, como la conciencia y el neuroticismo, describen la mayor parte de la variación en las personalidades humanas.

Algunos psiquiatras ya están tratando de transformar  su disciplina con las dimensiones como estructura central.  A principios de la década de 2010, hubo un impulso para eliminar las categorías de trastornos del DSM-5 a favor de un enfoque "dimensional" basado en síntomas individuales. Sin embargo, este intento fracasó, en parte porque la financiación de la atención médica y la atención al paciente se han desarrollado en torno a las categorías del DSM. Sin embargo, otros catálogos de trastornos se han ido desplazando hacia la dimensionalidad. En 2019, la Asamblea Mundial de la Salud aprobó la última Clasificación Internacional de Enfermedades (llamada CIE-11), en la que algunas psicopatologías se desglosaron recientemente utilizando síntomas dimensionales en lugar de categorías.

El desafío para la hipótesis de la dimensionalidad es obvio: ¿cuántas dimensiones hay y cuáles son?

Una teoría popular, respaldada por muchos estudios durante la última década, argumenta a favor de solo dos dimensiones. El primero incluye todos los trastornos de "internalización", como la depresión, en los que los síntomas primarios afectan el estado interno de una persona. Esto contrasta con los trastornos de "externalización", como la hiperactividad y el comportamiento antisocial, en los que se ve afectada la respuesta de una persona al mundo. Si alguien ha sido diagnosticado con dos o más trastornos, los estudios sugieren que es probable que sean de la misma categoría.

Pero los estudios que combinan el tratamiento de grandes cantidades de datos de imágenes cerebrales con la Inteligencia Artificial  han arrojado diferentes resultados, incluso en estudios realizados por el mismo laboratorio. El año pasado, Satterthwaite y su grupo publicaron un estudio de 1.141 jóvenes que tenían síntomas de internalización y descubrieron que podían dividirse en dos grupos en función de su estructura y función cerebral. En 2018, Satterthwaite dirigió un estudio similar e identificó cuatro dimensiones, cada una asociada con un patrón distinto de conectividad cerebral.

 

Algunos equipos estudian la fuerza de las conexiones entre las regiones del cerebro
 para determinar si la función cerebral se correlaciona con diagnósticos particulares.
 Imagen: Matthew Cieslak, Ted Satterthwaite, Danielle S. Bassett

En última instancia, una versión futura del DSM podría tener capítulos dedicados a cada dimensión. Estos podrían enumerar los trastornos que se agrupan dentro de cada una, así como sus síntomas y cualquier biomarcador derivado de la fisiología y la genética subyacentes. Dos personas que tuvieran  síntomas similares pero diferentes conjuntos de mutaciones o alteraciones neuroanatómicas podrían ser diagnosticadas y tratadas de manera diferente.

En los genes

Un pilar de este enfoque futuro es una mejor comprensión de la genética de las enfermedades mentales. En la última década, los estudios de genética psicopatológica se han vuelto lo suficientemente grandes como para sacar conclusiones sólidas.

Los estudios revelan que ningún gen individual contribuye de manera importante al riesgo de una psicopatología; en cambio, cientos de genes tienen cada uno un pequeño efecto. Un estudio de 2009 encontró que miles de variantes genéticas eran factores de riesgo para la esquizofrenia. Muchos también se asociaron con el trastorno bipolar, lo que sugiere que algunos genes contribuyen a ambos trastornos.

Esto no quiere decir que los mismos genes estén involucrados en todos los trastornos cerebrales: ni mucho menos. Un equipo dirigido por el genetista Benjamin Neale en el Hospital General de Massachusetts en Boston y el psiquiatra Aiden Corvin en el Trinity College de Dublín descubrió en 2018 que los trastornos neurológicos como la epilepsia y la esclerosis múltiple son genéticamente distintos de los trastornos psiquiátricos como la esquizofrenia y la depresión.

Mapa mental. Diagrama que muestra correlaciones entre trastornos.

Variantes genéticas similares parecen estar detrás de los desórdenes psiquiátricos.

 En un estudio con 200.000 personas, la esquizofrenia se correlacionó significativamente 

con la mayoría de los demás desordenes.

 Sin embargo, algunos desordenes como el PTSD o desorden de estrés post-traumático 

mostraron  una correlación muy pequeña con los otros desordenes.

Todos estos estudios analizaron variantes comunes, que son las más fáciles de detectar. Algunos estudios recientes se centraron en cambio en variantes extremadamente raras, que sugieren diferencias genéticas entre los trastornos. Un estudio con más de 12,000 personas encontró que las personas con esquizofrenia tenían una tasa inusualmente alta de mutaciones ultra raras, y que a menudo eran exclusivas de cada individuo.

El resultado es un caos desde el punto de vista científico. Es difícil predecir qué factores de riesgo afectan a las distintas condiciones. Algunos de ellos son ampliamente compartidos en la psicopatología, mientras que otros son un poco más específicos para una o varias formas de psicopatología.

El factor P

Algunos psiquiatras han presentado una hipótesis radical que esperan les permita dar sentido al caos. Si los trastornos comparten síntomas o coexisten, y si muchos genes están implicados en múltiples trastornos, entonces quizás haya un solo factor que predisponga a las personas a la psicopatología.

La idea fue propuesta por primera vez en 2012 por el especialista en salud pública Benjamin Lahey de la Universidad de Chicago en Illinois. Lahey y sus colegas estudiaron los síntomas en 11 trastornos. Utilizaron estadísticas para examinar si el patrón podría explicarse mejor por tres dimensiones distintas, o por esas tres junto con una predisposición "general". El modelo funcionaba mejor si se incluía el factor general.

Al año siguiente, la hipótesis recibió más apoyo, y un nombre llamativo, de los psicólogos Avshalom Caspi y Terrie Moffitt en la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte. Utilizaron datos de un estudio a largo plazo de 1.037 personas y descubrieron que la mayor parte de la variación en los síntomas podría explicarse por un solo factor. Caspi y Moffitt llamaron a esto el "factor P". Desde 2013, múltiples estudios han replicado su hallazgo principal.

Caspi y Moffitt tenían claro que el factor P no podía explicar todo, y no hicieron conjeturas sobre su biología subyacente, especulando solo que un conjunto de genes podría mediarlo. Otros han propuesto que el factor P es una predisposición general a la psicopatología, pero que otros factores (experiencias estresantes u otras alteraciones genéticas) empujan a una persona hacia diferentes síntomas. Pero si es real, tiene una implicación sorprendente: podría haber un único objetivo terapéutico para los trastornos psiquiátricos.

Ya hay indicios de que los tratamientos generalizados podrían funcionar tan bien como las terapias dirigidas. Un estudio de 2017 asignó al azar a personas con trastornos de ansiedad, como trastorno de pánico o trastorno obsesivo compulsivo, a recibir una terapia para su trastorno específico o un enfoque generalizado. Ambas terapias funcionaron igualmente bien.

Encontrar una base fisiológica para el factor P sería el primer paso hacia las terapias basadas en él, pero los investigadores acaban de empezar a trabajar con los datos genéticos y neuroanatómicos. Un estudio de la genética de la psicopatología en una población del Reino Unido identificó un "factor P genético", un conjunto de genes en el que había variaciones que contribuían al riesgo de psicopatología.

Mientras tanto, otros grupos están investigando  un cambio neuroanatómico que ocurre en múltiples psicopatologías. Los resultados son intrigantes, aunque contradictorios.

Una clave para dar sentido a esto podría ser centrarse en la función ejecutiva del cerebro: la capacidad de regular el comportamiento planificando, de activación y de inhibición, que se encuentra en muchas regiones del cerebro. Los investigadores Romer y Satterthwaite han encontrado de forma independiente interrupciones en la función ejecutiva en una variedad de psicopatologías, sospechando que estas interrupciones podrían ser la base del factor P.

La mayoría de los científicos están de acuerdo en que lo que se necesita son más datos, y muchos no están convencidos por explicaciones tan simples. Al menos en el nivel genético, hay muchos trastornos, como el TEPT y el trastorno de ansiedad generalizada, que siguen siendo poco conocidos.

Todas estas hipótesis radicales probablemente son prematuras. Quizá todavía estemos en la fase de necesitar  mucha más investigación empírica en lugar de una gran teorización.

Basado en: Nature 581, 19-21 (2020) doi: 10.1038/d41586-020-00922-8

El cerebro humano y su "ciclo de lavado" nocturno.

Tener un sueño profundo y reparador es esencial para nuestra salud física y mental. Ahora además se ha descubierto una nueva bondad del sueño: desencadena ondas rítmicas de sangre y líquido cefalorraquídeo (LCR) que parecen funcionar de manera muy similar al ciclo de enjuague de una lavadora, lo que puede ayudar a limpiar el cerebro de los desechos tóxicos de forma habitual.

El vídeo usa imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) que nos introduce dentro del cerebro de una persona para ver este ciclo de enjuague recién descubierto en acción. Primero, se ve una ola de flujo sanguíneo (rojo, amarillo) que está estrechamente relacionada con una onda lenta subyacente de actividad eléctrica (no visible). A medida que la sangre disminuye, el Líquido Cefalorraquídeo (azul) aumenta y luego vuelve a caer. Luego, el ciclo, que dura unos 20 segundos, comienza de nuevo.

Los hallazgos, publicados en la revista científica Science, son los primeros en sugerir que el conocido reflujo y flujo de sangre y actividad eléctrica del cerebro durante el sueño también pueden desencadenar ondas de limpieza de sangre y Líquido Cefalorraquídeo. Si bien los experimentos se realizaron en adultos sanos, el estudio adicional de este fenómeno puede ayudar a explicar por qué el dormir mal o la pérdida de sueño se han asociado previamente con el aumento de proteínas tóxicas y el empeoramiento de la pérdida de memoria en personas con enfermedad de Alzheimer.

En el nuevo estudio, Laura Lewis, de la Universidad de Boston, y sus colegas, registraron la actividad eléctrica y tomaron imágenes de resonancia magnética fMRI de los cerebros de 13 adultos jóvenes y sanos mientras dormían. El equipo también construyó un modelo informático para descubrir más sobre la dinámica de fluidos de lo que sucede en el cerebro durante el sueño. Y, como resultado, su modelo sofisticado predijo exactamente lo que observaron en los cerebros de los seres humanos vivos: ondas lentas de actividad eléctrica seguidas de ondas alternadas de sangre y Líquido Cefalorraquídeo.

Lewis dice que su equipo ahora está trabajando para encontrar formas aún mejores de capturar el flujo del Líquido Cefalorraquídeo en el cerebro durante el sueño. Por el momento, las personas que se ofrecen como voluntarios para tales experimentos tienen que poder conciliar el sueño mientras usan un casco de electroencefalograma (EEG) dentro de una ruidosa máquina de resonancia magnética, lo cual no es tarea fácil. Los investigadores también están reclutando adultos mayores para comenzar a explorar cómo los cambios relacionados con la edad en la actividad cerebral durante el sueño pueden afectar la dinámica de fluidos asociada.

Basado en:  Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep. Fultz NE, Bonmassar G, Setsompop K, Stickgold RA, Rosen BR, Polimeni JR, Lewis LD. Science. 2019 Nov 1;366(6465):628-631.

Las neuronas que responden a la novedad

 Cuando los ratones ven imágenes desconocidas, ciertas neuronas en la parte visual de sus cerebros se aceleran. Los científicos piensan que estas neuronas podrían estar involucradas en el aprendizaje.

Los ratones que forman parte del Observatorio para el Cerebro Allen tienen una tarea difícil. Una serie de imágenes parpadea frente a sus ojos, y los animales deben señalar cuando esa imagen cambia de identidad lamiendo una pequeña tromba que cuelga frente a ellos.

“El ratón está jugando efectivamente un videojuego. Está viendo imágenes en una pantalla y tomando decisiones, pero en lugar de hacer clic en un controlador de videojuego, lame una pipeta", según Marina Garrett, investigadora. “Las imágenes se repiten en una secuencia que irá algo así como flor, flor, flor, oso. Eso es lo que tienen que detectar, el cambio de flor a oso, y tienen que responder muy rápidamente".

Una colección de imágenes de escenas naturales del Instituto Allen.

Antes de poner a prueba a los ratones, el equipo de investigación los capacita en la tarea. Y antes de ese entrenamiento, los animales fueron modificados genéticamente para que ciertas neuronas brillaran bajo un microscopio fluorescente cuando esas células entran en acción.

Garrett y sus colegas quieren entender qué neuronas están activas y cuándo están activas, a medida que los animales aprenden a percibir el mundo que les rodea. Recientemente, descubrieron que una clase de neuronas, conocidas como interneuronas VIP, se activan cuando los animales ven imágenes desconocidas. El estudio está publicado en la revista científica eLife.

Los ratones se entrenan en una serie de imágenes (por ejemplo, la secuencia de flores y osos) y luego se prueban con esas imágenes familiares y con un segundo conjunto de fotos nuevas. Tienen que lamer la pipeta justo después de que cambie la imagen, ya sea una serie familiar o nueva, o no reciben la recompensa (un trago de agua). Es una configuración artificial: los ratones no evolucionaron para reconocer fotos en un contexto de videojuegos, por supuesto, pero los investigadores están tratando de comprender los principios básicos de cómo el cerebro percibe nuestro entorno y cómo la actividad de las neuronas cambia durante el comportamiento y el aprendizaje.

"La detección de la novedad es crítica para la supervivencia de un animal", según Shawn Olsen, Investigador, quien dirigió el estudio junto con Garrett. "Lo más importante a tener en cuenta en su entorno es cuando algo es inesperado".

De la novedad al aprendizaje.

Las interneuronas VIP son un tipo de neurona inhibidora, la clase general de neuronas cuyo trabajo es suprimir la actividad de otras neuronas. Se encuentran en la capa más externa del cerebro conocida como la corteza. Pero las interneuronas VIP silencian a otras neuronas inhibidoras, por lo que el resultado acumulativo es más actividad cerebral, no menos, el equivalente neuronal de un doble negativo.

No está completamente claro cuál es el resultado final de toda esta actividad en el cerebro, pero los investigadores plantean la hipótesis de que las interneuronas VIP pueden ser detectores de la novedad o importancia general, señalando a otras neuronas qué es  lo más importante hacia lo que deben enfocarse.

 

Neuronas VIP iluminadas.
Imagen: Instituto Allen para la neurociencia

Piensa en la diferencia de esfuerzo mental requerido entre una tarea que se hace todos los días, por ejemplo, cepillarse los dientes, y algo que se intenta por primera vez, como un nuevo pasatiempo. El cerebro no ignora completamente la tarea habitual, pero no requiere tanto esfuerzo mental como algo completamente nuevo.

"Creemos que esta diferencia tiene que ver con el aprendizaje", según Garrett. "Cuando algo te resulta familiar, sabes qué esperar. Puede confiar en sus predicciones internas y conocimientos pasados. Cuando algo es nuevo, debe prestarse más atención para obtener más información".

Para probar esa hipótesis, los investigadores ahora estudian cómo cambia la actividad de las interneuronas VIP con el tiempo. Con la exposición repetida, en algún momento las nuevas imágenes se familiarizarán. ¿Qué sucede en el cerebro en ese punto de inflexión? ¿Y, juegan las interneuronas VIP un papel similar en otras partes del cerebro?

El estudio actual es la primera etapa en un proyecto mucho más grande del Instituto Allen para estudiar cómo reaccionan los diferentes tipos de neuronas visuales en diferentes secciones del cerebro cuando los ratones realizan esta tarea. El proyecto en su totalidad debería generar suficientes datos para permitir a los investigadores abordar estas preguntas de manera más integral y comprender cómo funcionan las neuronas VIP junto con otros tipos de células.

En cuanto a si las interneuronas VIP humanas también reconocen la novedad, eso es imposible de probar de la misma manera: los investigadores obviamente no pueden manipular genéticamente a un humano para estudiar sus neuronas bajo un microscopio. Pero hay razones para pensar que el concepto general podría aplicarse a algo más que a los ratones que ven fotos, según Olsen.

"No me sorprendería si encontráramos un fenómeno similar en el sistema auditivo del ratón o en la parte del cerebro que detecta el tacto". "Este resultado tiene menos que ver con la visión del ratón que con los circuitos centrales de la corteza, que sabemos que se conserva entre los ratones y los humanos".

Basado en: https://elifesciences.org/articles/50340

El tacto. Cómo lo sienten las células del cuerpo.

Los científicos están analizando las proteínas sensibles a la presión que permiten a las células detectar la tensión y la presión.

En algunos animales, tres proteínas en forma de cuchilla juntas forman el canal Piezo1,
 que ayuda a sus células a sentir el tacto. Imagen: David S. Goodsell

El investigador Carsten Bönnemann recuerda haber examinado a una adolescente en un hospital de Calgary, Canadá, en 2013. Como neurólogo pediátrico, a menudo viajaba para evaluar casos desconcertantes. Pero nunca había visto algo así.

Esta adolescente no parecía tener idea de dónde estaban sus extremidades si apartaba la vista de ellas. Le faltaba la sensación de la posición de su cuerpo en el espacio, una habilidad crucial conocida como propiocepción.

El equipo de Bonnemann secuenció los genes de la adolescente y los de otra niña con síntomas similares, y encontró mutaciones en un gen llamado PIEZO2. El momento fue afortunado: solo unos años antes, los investigadores que buscaban los mecanismos que las células usan para detectar el tacto habían descubierto que este gen codificaba una proteína sensible a la presión.

El descubrimiento de Piezo2 y una proteína relacionada, Piezo1, fue un punto culminante en una búsqueda de décadas de los mecanismos que controlan el sentido del tacto. Los Piezos son canales iónicos (puertas en la membrana celular que permiten el paso de iones) que son sensibles a la tensión.

El tacto subyace al funcionamiento de casi todos los tejidos y tipos de células. Los organismos interpretan la fuerza para comprender su mundo, disfrutar de una caricia y evitar estímulos dolorosos. En el cuerpo, las células perciben el paso de la sangre, cómo el aire infla los pulmones y la plenitud del estómago o la vejiga. La audición se basa en células en el oído interno que detectan la fuerza de las ondas sonoras.

En la última década, el estudio de Piezos y otros canales de iones mecanosensibles se ha intensificado. Se han publicado más de 300 artículos solo en Piezos en los últimos tres años. Una de las preguntas más importantes es cómo las proteínas, situadas en la membrana celular, perciben y responden a la fuerza. Mediante el uso de la microscopía crioelectrónica (cryo-EM), los científicos han progresado en el descifrado de la estructura extraña de tres palas de los canales piezoeléctricos, pero no se conseguía descifrar el mecanismo completo. Los investigadores también están encontrando funciones para los canales  Piezos más allá del tacto o la propiocepción. Por ejemplo, Piezos podría ayudar a explicar por qué ciertas personas son resistentes a la malaria y quizás incluso por qué los astronautas pierden densidad ósea mientras están en órbita. Los investigadores ya están empezando a pensar en alterar las proteínas de detección de fuerza con medicamentos para tratar, por ejemplo, el dolor crónico.

El astronauta de la NASA Chris Cassidy trabaja en el avanzado
Dispositivo de Ejercicio Resistivo (aRED) de la Estación Espacial Internacional.
Las proteínas mecanosensibles ayudan a sentir la presión del peso corporal sobre los huesos,
 pero su función disminuye sin la gravedad.
 Los astronautas que viven en el espacio contrarrestan esto
 con entrenamiento de resistencia. Imagen: JSC / NASA

El sentido del tacto

El tacto ha sido durante mucho tiempo un sentido resbaladizo. Otros sentidos, como la vista o el gusto, se entienden mejor, según el investigador Patapoutian: los fotones que llegan al  ojo o los químicos que se infiltran en la nariz y la lengua activan los receptores de una misma familia. Estos receptores desencadenan la apertura de canales iónicos y permiten la entrada de iones positivos. Eso despolariza la célula y convierte el estímulo en una señal eléctrica que el cerebro puede decodificar.

Los científicos sospecharon que en el tacto, la propiocepción y la audición, una proteína actúa como sensor de fuerza y ​​como canal de iones, porque en la audición, la señalización ocurre rápidamente, en microsegundos. Pero la identidad de las proteínas de esas familias de  canales sensoriales permanecía siendo una  incógnita, al menos en los mamíferos. Los investigadores habían encontrado algunos canales mecanosensibles en bacterias, moscas de la fruta y gusanos nematodos.

Entonces el investigador Patapoutian y su colega Bertrand Coste idearon un plan. Comenzarían con un tipo de célula de ratón que sabían que eran capaces de transformar un pequeño toque con una pipeta en una corriente eléctrica medible. Luego, Coste eliminaría los genes candidatos del canal iónico, uno diferente en cada lote de células, y buscaría el lote que, de repente, perdiera su sensibilidad al tacto. Coste comenzó confiado, pensando que llevaría unos meses, tal vez incluso semanas, encontrar un resultado positivo.

Pero costó la mayor parte de un año. Luego, poco antes de finales de 2009, vio algo o, mejor dicho, nada. Coste hurgó con su pipeta, y la célula no respondió. Debería haber eliminado un canal sensible a la fuerza.

Él y Patapoutian llamaron Piezo1 a este gen del ratón, de la palabra griega que significa presión, y pronto identificaron a Piezo2. Más tarde, el equipo vinculó Piezo2 directamente a la sensación táctil en las neuronas sensoriales y en las células de la piel de los ratones.

Cuchillas ocultas

Los investigadores estaban entusiasmados con el resultado, recuerda Goodman, particularmente porque las proteínas piezoeléctricas, codificadas por este gen, eran muy grandes y complejas. Formadas por  más de 2,500 aminoácidos y con un peso de 300 kilodaltons, la estructura de Piezo1 cruza la membrana celular un récord de 38 veces. (A modo de comparación, las proteínas de mamíferos suelen contener unos 500 aminoácidos).

Desafortunadamente, ese tamaño gigantesco obstaculizó a los investigadores que intentaban responder las preguntas más candentes en el campo Piezo: ¿cómo perciben la fuerza los canales? ¿Y cómo se abren y cierran?

Con las técnicas estructurales como la cristalografía de rayos X y la espectroscopía de resonancia magnética nuclear los científicos se esfuerzan  para analizar  proteínas grandes y complejas, según el neurocientífico Bailong Xiao.

Afortunadamente, cuando Xiao estaba configurando su laboratorio en 2013, otra opción para obtener estructuras de alta resolución estaba disponible: la cryo-EM. Su grupo utilizó el método para describir la primera estructura de Piezo1 en 2015, y desde entonces, se han obtenido varias versiones de mayor resolución. En septiembre pasado, Xiao obtuvo una imagen de Piezo2, que es similar a Piezo1 en tamaño y forma. La imagen de Xiao de Piezo2 era la vista más clara hasta el momento de los extremos de las tres cuchillas, que se mueven y, por tanto, son difíciles de capturar para obtener una imagen nítida.

Las imágenes fueron impactantes. Tres proteínas piezoeléctricas se unen en un trímero que se extiende a ambos lados de la membrana plasmática. Desde el poro central, tres brazos giran en espiral como las palas de una hélice. Se curvan hacia arriba y hacia afuera, creando una muesca profunda en la superficie de la célula.

 Patapoutian y Xiao piensan que cuando una fuerza golpea la membrana, las cuchillas mueven los "haces" de proteínas en el interior del canal, que de alguna manera arrastran los poros para abrirlos. Para MacKinnon, la forma inusual en que las cuchillas de Piezos fruncen la membrana sugiere un mecanismo diferente: si un empuje o un tirón aumentan la tensión de la membrana, el canal curvo podría aplanarse, abriendo el poro.

Las hipótesis aún no se pueden probar, porque los investigadores han podido estudiar solo proteínas piezoeléctricas aisladas, separadas de su membrana y en la conformación cerrada. Obtener una imagen  de un Piezo abierto en una membrana debería ayudar a los científicos a comprender sus secretos. Es necesario observarlo en su entorno natural.

Varios laboratorios están tratando de observar un Piezo abierto. El grupo de Patapoutian está utilizando un compuesto activador de Piezo1 que llamó Yoda1 en honor al diminuto maestro Jedi que maneja la fuerza en Star Wars. Patapoutian espera que con Yoda1 presente, Piezo1 pueda abrirse para obtener una imagen. También está interesado en conectar proteínas piezoeléctricas en membranas artificiales llamadas nanodiscos, lo que podría ayudar a estabilizar la conformación abierta. Mientras tanto, Xiao está trabajando con la tomografía crioelectrónica, que consiste en obtener imágenes de la muestra en diferentes ángulos de inclinación, y podría ayudar a aclarar la estructura en una membrana nativa o artificial.

Todavía hay más

En paralelo con los estudios estructurales, los científicos están descubriendo que las proteínas piezoeléctricas tienen diversos roles en nuestro cuerpo.

En 2014, el neurocientífico Alex Chesler, inspirado por el descubrimiento de Coste, estaba creando ratones que carecían de Piezo2 para investigar el papel del canal en el tacto. Entonces, un día, recibió un correo electrónico de Bönnemann, que trabajaba en su edificio, sobre las adolescentes que carecían de propiocepción.

Chesler no podía preguntar directamente a los ratones que carecían de Piezo2 qué sentían, o más bien que no sentían, pero podía preguntarle a las adolescentes.

Él y Bönnemann invitaron a las adolescentes a Bethesda para evaluar su condición más ampliamente. Ambas chicas podrían compensar su discapacidad notablemente bien, usando la visión para ayudarlas a caminar en línea o tocar un objetivo. Pero con los ojos vendados, no lo conseguían. Del mismo modo, podían sentir la vibración de un diapasón contra su piel porque podían escucharlo. Pero si usaban auriculares con cancelación de ruido, no notaban la vibración en absoluto.

Patapoutian encontró el mismo fenómeno en ratones: sin Piezo2 en los nervios que inervan los músculos y los tendones, carecían de propiocepción y se descoordinaban. Su equipo también encontró un papel para Piezo2 en las neuronas sensibles al dolor en la alodinia, un tipo específico de sensación de dolor en el que incluso una caricia suave se siente como un pinchazo con agujas. Algunas personas con dolor neuropático experimentan esta hipersensibilidad todo el tiempo.

Los ratones normalmente muestran alodinia cuando se les inyecta capsaicina, la molécula picante que se encuentra en los pimientos picantes, o después de una lesión nerviosa, pero no si les falta el gen Piezo2. Chesler y Bönnemann también encontraron cambios similares en la percepción del dolor entre las personas con mutaciones PIEZO2.

Tanto Patapoutian como Chesler están buscando compuestos que bloqueen la actividad de Piezo2 en un sitio de dolor, sin interferir con las otras funciones de la proteína en todo el cuerpo.

No solo las neuronas necesitan sentir el tacto; Casi todas las células están sujetas a algún tipo de fuerza. Por ejemplo, los glóbulos rojos, que se deforman para escurrirse a través de pequeños capilares. Las mutaciones que hiperactivan Piezo1 hacen que las células sanguíneas se marchiten, y pueden provocar anemia en personas con una condición rara conocida como estomatocitosis hereditaria deshidratada.

Esas células sanguíneas deformadas le recordaron a Patapoutian la anemia falciforme. La mutación del gen de células falciformes ha persistido en muchas personas de ascendencia africana porque protege contra la malaria, y Patapoutian se preguntó si las mutaciones PIEZO1 podrían hacer lo mismo.

Si es así, debería haber una tasa relativamente alta de tales mutaciones en personas de ascendencia africana. Las búsquedas en la base de datos revelaron que Patapoutian tenía razón: de hecho, en la base de datos, una variante particular de PIEZO1 apareció en un tercio de las personas con ascendencia africana. Otro equipo de investigadores publicó que los portadores de esta mutación PIEZO1 son resistentes a la malaria grave.

Piezo1 también tiene una función en la formación y mantenimiento de huesos, según el trabajo del laboratorio de Xiao. Cuando su equipo eliminó el gen Piezo1 en osteoblastos de ratón, las células que producen los huesos, los animales crecieron más cortos y más delgados de lo normal. Los huesos largos que soportan el peso corporal eran más ligeros, más delgados y más débiles que en los ratones control.

Además, los ratones de tipo salvaje a los que se les mantenía suspendidos parcialmente en el aire, por lo que no tenían que soportar su peso corporal completo, mostraban niveles más bajos de expresión de Piezo1 y masa ósea. Es un fenómeno muy parecido a lo que les sucede a las personas con osteoporosis, los que están en cama y los astronautas y cosmonautas a bordo de la Estación Espacial Internacional.

Puntos de presión

Los científicos interesados ​​en la audición han estado persiguiendo el canal relevante durante cuatro décadas. "Ha habido muchas pistas falsas en el camino", dice Jeffrey Holt, neurocientífico "Ahora creemos que tenemos un conocimiento bastante sólido".

La proteína del canal clave se llama TMC1. Cuando Holt alteró los aminoácidos en TMC1, el procedimiento cambió la capacidad de las células del oído interno para traducir señales mecánicas en eléctricas. Otro informe mostró que el TMC1 purificado es capaz de crear un canal iónico mecanosensible en burbujas membranosas artificiales. Sin embargo, la estructura de TMC1 sigue siendo un misterio, porque la proteína ha sido difícil de purificar en cantidades suficientes para obtener buenas imágenes de cryo-EM.

El equipo de Patapoutian, mientras tanto, está buscando familias de canales completamente nuevas. En 2018, informó lo que creen que podría ser el grupo más grande de canales activados mecánicamente. Conocían una familia de proteínas que ayuda a las plantas a sentir la presión osmótica, las proteínas OSCA, y razonaron que podrían sentir la fuerza de manera más general. En las células renales humanas, los OSCA respondieron efectivamente al estiramiento de la membrana celular.

Estructura Cryo-EM de OSCA1.2.
Los canales OSCA son parientes cercanos de las proteínas piezoeléctricas
y detectan la presión osmótica en las células vegetales.
 Imagen: Sebastian Jojoa-Cruz / Ward lab

Los investigadores también sabían por estudios previos que las proteínas OSCA estaban estrechamente relacionadas con otra familia de proteínas en mamíferos, las proteínas TMEM63. Los canales TMEM63 de ratones, humanos e incluso moscas de la fruta también respondieron al estiramiento, por lo que las proteínas OSCA y TMEM63 forman una gran familia de sensores de fuerza que es común a muchos seres vivos.

Los canales descubiertos hasta ahora no pueden explicar todos los casos de mecano-sensibilidad celular. Más mecanosensores deben estar siendo elusivos a las investigaciones. Y esos sensores probablemente tienen más funciones de los que se conocen hoy. Por ahora, apenas se ha  rascado la superficie.

Basado en: Nature 577, 158-160 (2020). doi: 10.1038/d41586-019-03955-w

La evolución del aprendizaje vocal

De los trinos de las aves  al habla humana.

 

El neurobiólogo Erich Jarvis tiene una razón simple para estudiar la evolución del lenguaje hablado: es un principio fundamental de la humanidad.

Pero este rasgo, por supuesto, no es realmente exclusivo de los humanos: un puñado de otros grupos de animales tienen talento para el aprendizaje vocal. Ese término, que es un componente específico del lenguaje hablado, significa que el animal tiene la capacidad de imitar y repetir una variedad de sonidos. Eso contrasta con la mayoría de las vocalizaciones de animales, que son principalmente instintivas y no aprendidas: los animales sin aprendizaje vocal que nacen sordos seguirán haciendo los mismos ruidos que sus compañeros oyentes.

El científico Erich Jarvis, que dirige un equipo de investigación en la Universidad Rockefeller en la ciudad de Nueva York, quiere comprender cómo evolucionaron nuestros cerebros para permitir el rico lenguaje hablado por la humanidad, que requiere no solo aprender nuevos sonidos y los significados detrás de ellos, sino también un control motor fino de nuestras laringe, la estructura especial que nos permite hacer tantos sonidos diferentes. A través de sus investigaciones, piensa que también ha encontrado algo  previamente desconocido: los cerebros pueden evolucionar para permitir nuevos rasgos, como el habla, un fenómeno que él llama "duplicación de vías cerebrales".

Los neurocientíficos que estudian comportamientos comunes pueden usar modelos animales como el ratón de laboratorio para arrojar luz sobre cómo funciona el cerebro en general. Pero es una tarea complicada identificar los genes y los circuitos neuronales que subyacen a un fenómeno raro como el aprendizaje del habla o la voz. Los ratones no hablan. Entonces, para muchos de sus estudios, Jarvis utiliza pájaros.

Unos pocos grupos de pájaros como los  pájaros cantores, los  loros y los colibríes, pueden aprender y repetir sonidos complejos similares al lenguaje hablado, sonidos que se transmiten de las generaciones anteriores a las nuevas, al igual que los niños pequeños aprenden a balbucear y luego hablan imitando e interactuando con sus padres.

La canción del pájaro no es idéntica al habla humana, pero hay paralelismos. Con raras excepciones, los pájaros cantores no usan vocalizaciones para comunicar un significado abstracto, como lo hacemos los humanos en la conversación, en los discursos, en las canciones. En su mayoría usan sus habilidades avanzadas de emitir sonidos  que atraigan a los compañeros, aunque también tienen ciertas melodías que indican que un depredador está cerca, incluso comunicando el tamaño del depredador.

Jarvis no es el único investigador que estudia los variados trinos de los pájaros cantores. Muchos laboratorios usan pinzones cebra como modelo para nuestros propios trastornos del lenguaje y del habla, pero hasta hace poco, era difícil establecer paralelismos directos entre la conversación humana y el chirrido staccato de estas pequeñas criaturas.

 Los genes que nos dejan hablar

Melodías de los pájaros cantores: 

estos pinzones cebra son del mismo tipo que Jarvis estudia en su laboratorio Rockefeller.

Hace varios años, Jarvis y sus colegas, publicaron una comparación histórica del cerebro de los pájaros cantores y los cerebros humanos, mostrando que tanto los genes como las regiones de los cerebros utilizados para el canto de los pájaros y para el habla humana son similares. Las aves que no muestran aprendizaje vocal (observaron los cerebros de las palomas y las codornices) no tienen las mismas regiones cerebrales ni los  genes relacionados con la generación de melodías. Ni tampoco nuestros parientes primates que no hablan.

Los investigadores saben que el aprendizaje vocal evolucionó de forma independiente en los pájaros cantores y en los humanos, por lo que estos resultados son un ejemplo de evolución convergente, donde, con el tiempo, nuestros genes  evolucionaron hacia la misma solución. Lo que eso significa es que probablemente  hay formas limitadas en que los animales pueden adquirir el lenguaje hablado, o tal vez, solo hay una posibilidad.

"Parece que hay un camino central limitado en el que se establece la evolución", "En otro medio millón de años a partir de ahora, si otra especie desarrolla el aprendizaje vocal, se podría predecir cómo será la vía de expresión génica de esa especie".

Esos hallazgos también significan que los pájaros cantores son, después de todo, una buena aproximación  para que los científicos estudien el habla humana, especialmente los patrones y circuitos cerebrales que subyacen en el habla y el lenguaje. Esa es una buena noticia para los muchos laboratorios que ya estaban usando pinzones cebra para estudiar el habla.

Pero para Jarvis, uno de los mejores resultados es que ahora pueden investigar una vía completamente nueva de evolución cerebral.

De pájaros a ratones

El equipo de investigación descubrió que los circuitos de aprendizaje vocal compartidos están integrados en las mismas vías cerebrales que, tanto nosotros como las aves, utilizamos para aprender a movernos: las vías motoras del cerebro anterior. Esta parte del cerebro es mucho más antigua, evolutivamente hablando, que el habla.

Hay un fenómeno en la evolución en el que un gen hace una copia extra de sí mismo, al azar. Con el tiempo, esa segunda copia, liberada de la presión de su propósito original, puede cambiar más rápidamente. Ocasionalmente, los genes copiados evolucionan para asumir un nuevo trabajo.

Jarvis cree que esto sucedió para una vía cerebral completa.

No hay evidencia de que alguna vez se haya duplicado una vía cerebral completa. Pero la teoría tiene sentido frente a los datos que los investigadores tienen hasta ahora. Las vocalizaciones son en sí mismas un tipo de movimiento especializado de la laringe, la caja de la voz, junto con otros moduladores orales de los sonidos. Uno puede ver paralelismos entre cómo movemos nuestros cuerpos enteros y cómo movemos esta pequeña estructura que produce el habla. Jarvis cree que todo puede haber sido impulsado por la duplicación aleatoria de un solo gen involucrado en el desarrollo del cerebro.

Jarvis y su equipo ahora están estudiando más profundamente los paralelismos entre los genes de aprendizaje vocal y los genes de aprendizaje motor en el cerebro. Y están comparando, entre pájaros y mamíferos, los tipos de células cerebrales, usando el conjunto de genes que cada célula activa o apaga, para comprender mejor la evolución del cerebro en general. El propio laboratorio de Jarvis está secuenciando muchas de estas células cerebrales de aves, y está comparando esos resultados con un conjunto de datos similar de células cerebrales humanas y de ratón existentes en la Base de Datos  del Instituto Allen.

Después de todo, también están recurriendo al ratón de laboratorio para ver qué sucede si un mamífero sin aprendizaje vocal recibe un impulso de algunos de esos genes especializados. Quieren diseñar un ratón que incorpore y active los genes del aprendizaje vocal humano en la vía motora del cerebro, para ver si pueden forzar el tipo de evolución que suponen que sucedió en humanos y en los pájaros cantores.

En cuanto al canto de los pájaros, Jarvis no abandonará su investigación en el corto plazo. Comenzó a estudiar pájaros cantores porque quería entender el lenguaje humano, pero los pájaros pronto llamaron su atención por derecho propio.

Pensó que eventualmente se alejaría del aprendizaje vocal en pájaros, porque encontrarían la equiparación al habla humana, pero siguen aprendiendo cada vez más y ahora están estudiando ambos en paralelo. Las aves también son criaturas fascinantes en sí mismas.

Basado en:

https://science.sciencemag.org/content/346/6215/1256846.full

https://www.wired.com/2011/06/dissecting-the-language-of-the-birds-or-how-to-talk-to-a-songbird/

https://science.sciencemag.org/content/308/5730/1853.1

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26554045