EL CEREBRO PLÁSTICO
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE:
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Identificar las variables de la neuroplasticidad
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Conocer el proceso de neuroplasticidad tras una lesión
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Conoces los procesos de neuroplasticidad durante el aprendizaje
PREFACIO
En los últimos años, los investigadores han hecho grandes avances en su comprensión del funcionamiento del cerebro. La neurociencia ofrece tanto promesas como peligros, por lo que el interés del público en ella ha crecido enormemente, debido al potencial y las promesas que ofrece, y un concepto neurocientífico en particular ha capturado la imaginación del público: la neuroplasticidad, o cambio en el sistema nervioso. Hace 60 años, la idea de que el tejido nervioso puede cambiar era un anatema para la neurociencia. Se creía ampliamente que el cerebro maduro es una estructura fija y, por lo tanto, que "no se puede enseñar a un perro viejo nuevos trucos”. Desde entonces, este dogma ha sido derribado por un enorme cuerpo de investigación que muestra no sólo que el cerebro puede cambiar, sino también que cambia continuamente a lo largo de la vida, de una manera u otra, en respuesta a todo lo que hacemos y a cada experiencia que tenemos. La neuroplasticidad es un término general que se refiere a las muchas formas diferentes en que el sistema nervioso puede cambiar. Está mal definido por los neurocientíficos, que lo usan para describir una amplia variedad de fenómenos.
Entre el público en general, el concepto es generalmente mal entendido, y las ideas erróneas sobre lo que es la neuroplasticidad, y lo que es capaz de hacer, están muy extendidas. Esta unidad resumirá los conocimientos esenciales sobre la neuroplasticidad, centrándose en los principales hallazgos experimentales y los métodos y tecnologías utilizados para obtenerlos, y en cómo nuestro pensamiento sobre el cerebro ha evolucionado a lo largo del tiempo.
Cada apartado está dedicado a la investigación de un modo particular de neuroplasticidad. Después de ofrecer una perspectiva histórica, describe los cambios que se producen durante el desarrollo del cerebro; los cambios que se producen en los cerebros de las personas ciegas y sordas; los mecanismos de plasticidad sináptica que subyacen al aprendizaje; la formación de nuevas células en el cerebro adulto; cómo diferentes tipos de formación, como aprender a tocar un instrumento musical o a hablar un idioma extranjero, alteran el cerebro; cómo la neuroplasticidad se desbarata en los estados de adicción y dolor; y los principales cambios cerebrales asociados con las diferentes etapas de la vida. En el capítulo final se resumen los puntos clave, se describen varias formas de plasticidad recientemente descubiertas y se exploran algunas de las muchas preguntas que quedan por responder. Los mecanismos de la neuroplasticidad son tan numerosos y tan diversos que no se podría esperar abarcar todo el tema en una sola unidad. No obstante, esta información debería brindarle al estudiante una buena visión general de lo que sabemos sobre la neuroplasticidad, así como una sólida comprensión de algunos principios neurocientíficos clave, el conocimiento de importantes acontecimientos históricos en el campo, y alguna visión del proceso científico.
INTRODUCCIÓN
Si consultas a Google sobre "recablear tu cerebro", su función de autocompletar te dará una lista de los términos de búsqueda más populares que utilizan esa frase. Según los resultados de dicha búsqueda, puedes recablear tu cerebro para el amor y la felicidad, para tener más éxito en el trabajo, e incluso para encontrar un sentido a tu vida. Al desplazarse hacia abajo por los resultados de la búsqueda aparecen más opciones: recargar el cerebro para pensar de forma positiva, cultivar la confianza en sí mismo, dormir mejor y evitar las demoras. Si se cree en Internet, se puede recablear el cerebro para mejorar casi cualquier aspecto de su comportamiento, por lo que el poder de transformar su vida reside en su capacidad de cambiar conscientemente ese trozo de carne de 1,4 kilos que tiene en la cabeza. ¿Pero qué significa realmente "recablear tu cerebro"? Se refiere al concepto de neuroplasticidad, un término muy poco definido que simplemente significa algún tipo de cambio en el sistema nervioso. Hace sólo 50 años, la idea de que el cerebro adulto puede cambiar de cualquier manera era herética. Los investigadores aceptaron que el cerebro inmaduro es maleable, pero también creían que se endurece gradualmente, como la arcilla vertida en un molde, en una estructura permanentemente fija para el momento en que la infancia ha terminado. También se creía que nacemos con todas las células cerebrales que tendremos, que el cerebro es incapaz de regenerarse a sí mismo, y, por lo tanto, que cualquier daño o lesión que sufra no puede ser reparado. De hecho, nada más lejos de la realidad. El cerebro adulto no sólo es capaz de cambiar, sino que lo hace continuamente a lo largo de la vida, en respuesta a todo lo que hacemos y a cada experiencia que tenemos. Los sistemas nerviosos evolucionaron para permitirnos adaptarse al medio ambiente y determinar el mejor curso de acción en cualquier situación dada, basándose en lo que se ha aprendido de las experiencias pasadas. Este es el caso no sólo de los humanos, sino de todos los organismos que tienen un sistema nervioso. Es decir, los sistemas nerviosos evolucionaron para cambiar, y por lo tanto la neuroplasticidad es una propiedad intrínseca y fundamental de todos los sistemas nerviosos.
El cerebro adulto no sólo es capaz de cambiar, sino que lo hace continuamente a lo largo de la vida, en respuesta a todo lo que hacemos y a cada experiencia que tenemos.
Por lo tanto, el concepto de neuroplasticidad impregna todas las ramas de la investigación del cerebro, y los neurocientíficos dan por sentado que cualquier experimento que realicen inducirá algún tipo de cambio en el sistema nervioso del organismo que están estudiando. Diferentes investigadores definen la neuroplasticidad de diferentes maneras, dependiendo exactamente de qué aspecto del cerebro y del comportamiento están estudiando, y el término es tan vago que se ha vuelto virtualmente sin sentido cuando se usa solo y sin mayor explicación de exactamente qué tipo de cambios plásticos están teniendo lugar. Sin embargo, la idea de que podemos formar voluntariamente nuestros cerebros para cambiarnos a nosotros mismos es atractiva, y así el concepto ha capturado la imaginación del público. Hoy en día, la neuroplasticidad es una palabra de moda en muchos ámbitos diferentes. "Recablear tu cerebro" se ha convertido en una especie de mantra para los oradores motivadores y los gurús de la autoayuda, y el concepto está siendo evocado por los educadores y los gerentes de negocios en sus intentos de mejorar el aprendizaje y mejorar las habilidades de liderazgo. Sin embargo, abundan los conceptos erróneos y en esos contextos la neuroplasticidad suele estar mal definida y a menudo mal entendida. Algunos creen que tiene poderes curativos milagrosos, y otros dicen que pueden aprovecharlo con productos o terapias de la Nueva Era; pero tales afirmaciones suelen ser enormemente exageradas y a veces completamente infundadas.
UNA BREVE HISTORIA DE LA NEUROPLASTICIDAD
La neuroplasticidad se suele presentar como un nuevo descubrimiento revolucionario, pero el concepto ha existido de una forma u otra durante más de 200 años. A principios del decenio de 1780, las correlaciones entre el naturalista suizo Charles Bonnet y el anatomista italiano Michele Vincenzo Malacame discuten la posibilidad de que el ejercicio mental pueda conducir al crecimiento del cerebro, y mencionan varias formas de probar la idea experimentalmente. Malacarne lo hizo entonces, usando pares de perros de la misma camada y pares de aves de la misma nidada de huevos. Entrenó extensamente a un animal de cada pareja durante varios años, luego examinó sus cerebros, y afirmó que el cerebelo era significativamente más grande en los animales entrenados que en los no entrenados. Poco después, el médico alemán Samuel Thomas von Sommerring consideró la idea en un influyente libro de anatomía publicado en 1791: "¿Cambia gradualmente el uso y el ejercicio del poder mental la estructura material del cerebro," escribió, "tal como vemos, por ejemplo, que los músculos muy usados se vuelven más fuertes y que el trabajo duro engrosa considerablemente la epidermis? No es improbable, aunque el bisturí no puede demostrarlo fácilmente".
En el capítulo dedicado al hábito de los Principios de Psicología (1890) William James introducía como concepto clave la plasticidad del sistema nervioso y del cerebro, un fenómeno que experimentalmente él no podía estudiar, pero que era una consecuencia derivada de los resultados de las investigaciones contemporáneas en diversos campos de la Biología y la Fisiología. La plasticidad hace referencia a cómo el aprendizaje, la adquisición de habilidades, las influencias interpersonales y sociales y otras variables del contexto pueden ejercer un efecto en la estructura física del cerebro, modificándolo y estableciendo nuevas relaciones y circuitos neurales que a su vez alteran su funcionamiento. Este concepto, estudiado experimentalmente a finales del siglo XX, es una de las claves en la actual Neurociencia Social, disciplina que trata de combinar e integrar diferentes elementos conceptuales y metodológicos procedentes de las Neurociencias y de la Psicología Social. Este análisis ha permitido, en primer lugar, destacar el significado y el valor que James otorgó al concepto de plasticidad en su análisis del hábito, y en segundo lugar, revisar el significado de este concepto en la Neurociencia Social, subrayando el papel antecedente de las hipótesis de James en la concepción actual de plasticidad cerebral.
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William James (1842-1910) incluyó como capítulo IV de su obra Principios de Psicología (James, 1890) el artículo publicado previamente en el número de febrero de 1887 de Popular Science Monthly titulado “El hábito”. Se trata de un capítulo sumamente interesante por el carácter anticipador de ideas que también Sigmund. Freud y Ramón y Cajal van a tratar desde sus posiciones, intereses e investigaciones (Ansermet y Magistretti, 2004; Kandel, 2006). La idea fundamental que aquí nos interesa es la de la plasticidad del sistema nervioso, y en particular, del cerebro, un fenómeno que experimentalmente ninguno de ellos podía estudiar ni demostrar, pero que era una consecuencia derivada de los resultados de las investigaciones contemporáneas en diversos campos de la Biología y la Fisiología.
Hubo que esperar más de medio siglo para que Donald O. Hebb, en su trabajo Organización de la conducta (Hebb, 1949), retomara estas ideas y afirmara que la experiencia modifica las conexiones corticales, de manera que incluso el cerebro de una persona adulta está constantemente cambiando en respuesta a la experiencia. Investigaciones recientes han demostrado que Hebb estaba en lo cierto y que los cambios plásticos en el cerebro se encuentran asociados al aprendizaje y a la memoria, a la adquisición de habilidades, e incluso al establecimiento de adicciones (Gottesman y Hanson, 2005). En la actualidad se ha demostrado que una miríada de factores influyen sobre la plasticidad cerebral: la experiencia pre- y post-natal, los genes, el consumo de drogas, las hormonas, la maduración y el envejecimiento, la dieta, el estrés, o las enfermedades y los accidentes (Kolb, Gibb, y Robinson, 2003). En definitiva, toda experiencia deja una huella. Esta afirmación ha sido confirmada de modo experimental por hallazgos recientes en Neurobiología, que muestran cómo la plasticidad de la red neuronal permite la inscripción de la experiencia, la cual modifica permanentemente las conexiones entre las neuronas, provocando cambios tanto de orden estructural como funcional (Ansermet y Magistretti, 2004). Avances recientes señalan un importante factor implicado en los cambios en el funcionamiento cerebral: el mundo social; de los estudios realizados sobre recuperación de funciones cognitivas tras daños cerebrales se deriva que los procesos de aprendizaje para ser conscientes de cosas nuevas (es decir, para adquirir nuevos qualia) dependen críticamente de la interacción social, en particular de la retroalimentación proporcionada por el entrenador (Frith, 2011). Si bien nos encontramos aún en el comienzo de los estudios experimentales que permitan comprobar el alcance de estos planteamientos, más de un siglo antes de estos hallazgos James ya se sentía estimulado por las hipótesis sobre los fenómenos de plasticidad y su relevancia para el estudio del comportamiento humano.
William James sobre el hábito.
James comienza los Principios con dos capítulos sobre el cerebro, a los que sigue otro en el que presenta una teoría del hábito fundamentada en la Fisiología. Su análisis se inicia con una constatación: los seres vivos son manojos de hábitos, los cuales pueden dividirse en dos tipos. Los hábitos que obedecen a una tendencia innata se consideran instintos; aquellos debidos a la educación son denominados habitualmente como actos de razón. Ambos dirigen la mayor parte de la vida, y cualquiera que persiga el estudio del comportamiento de la mente deberá establecer cuáles son sus límites. Los hábitos tienen importantes consecuencias en la vida real de los individuos: simplifican los movimientos requeridos para obtener un determinado resultado, los hace más exactos y disminuye la fatiga; y también reducen la atención consciente con que se ejecutan los actos, automatizando la conducta y haciéndola más fluida, aunque la conciencia es capaz de detectar cualquier desviación y rectificar de inmediato. A esto se añade la posibilidad de cambiar o abandonar hábitos establecidos y adquirir otros nuevos.
De alguna manera, ambos tipos de hábitos guardan una simetría con los dos tipos de funcionamiento del cerebro, según James: las funciones inferiores se ocupan del comportamiento automático, mientras que las funciones superiores se ocupan de los procesos intelectuales exclusivamente humanos.
Prosigue James afirmando que en el mundo orgánico, en la materia compuesta, los hábitos son muy variables, tanto en los instintos que varían de un individuo a otro de la misma especie, como en los adquiridos por un mismo individuo que cambian según la experiencia o las exigencias del medio. ¿Pero por qué cambian los hábitos? "Porque en última instancia se deben a la estructura del compuesto, y sea por fuerza externa o por tensiones internas pueden, de una hora a otra, cambiar esa estructura y hacerla algo diferente de lo que fue. Es decir, pueden hacerlo si el cuerpo es lo suficientemente plástico como para mantener su integridad, y no descomponerse cuando su estructura cede" (James, 1890, p. 86).
En consecuencia, la materia orgánica posee en su naturaleza la capacidad de mantenerse en el cambio, de preservar su integridad a través de los cambios experimentados a lo largo de su existencia. Y esta capacidad, que incrementa poderosamente las posibilidades de adaptación de los orga-nismos, descansa en esta propiedad de la plasticidad. La idea tiene un profundo calado, no sólo para la Biología y para la Psicología, sino también para la integración de posturas filosóficas que habían marcado los debates entre escuelas desde la Antigüedad: la unidad y la estabilidad del mundo y de lo existente (por ejemplo, Parménides), frente al cambio y la discontinuidad de lo viviente (por ejemplo, Heráclito). Desde esta nueva perspectiva, es posible la permanencia a pesar de los cambios, y es posible cambiar pese a la estabilidad, y ello es factible gracias al mecanismo de la plasticidad.
James adopta un enfoque dinámico -en el que desempeña un papel relevante el tiempo- en la explicación del mecanismo. Los cambios son más o menos lentos, pues la materia opone resistencia a los efectos modificadores, y sólo gradualmente acepta los cambios, lo cual evita que la materia se desintegre en su totalidad. Una vez que la estructura ha cedido a los cambios y adopta una nueva configuración, la propia inercia actúa como condición para la permanencia tanto de la nueva forma como de los hábitos manifestados y adquiridos en el nuevo estado. Y concluye James: "Así pues, plasticidad, en la acepción amplia de la pala-bra, significa poseer una estructura lo suficientemente débil para ceder ante una influencia, pero también lo bastante fuerte para no ceder de golpe. En esta estructura, cada fase de equilibrio relativamente estable se caracteriza por lo que podríamos llamar un nuevo conjunto de hábitos" (James, 1890, pp. 86-87).
Es decir, la materia orgánica es maleable, en ella está inscrita una dinámica dialéctica de estabilidad - cambio gradual - nueva estabilidad - nuevo cambio gradual..., y así sucesivamente, que le permite, simultáneamente, mantener su unidad -su identidad- al tiempo que es susceptible de admitir cambios. En estos planteamientos se pueden rastrear las influencias de las ideas darwinianas de adaptación y cambio evolutivo, de tanto impacto en la naciente psicología norteamericana de finales del siglo XIX (Good-win, 2009). Y añade James una proposición de gran importancia para el análisis que estamos llevando a cabo: "La materia orgánica, en especial el tejido nervioso, parece estar dotada con un grado de plasticidad extraordi nario; de este modo, podemos enunciar como primera proposición la siguiente: los fenómenos de hábito en los seres vivientes se deben a la plasticidad de los materiales orgánicos de que están compuestos sus cuerpos" (James, 1890, p. 87; subrayado en el original). Y matiza que el sentido de plasticidad se aplica a la estructura interna y a la forma externa. Los hábitos simples, prosigue en su análisis James, como cualquier otro acontecimiento nervioso, son, mecánicamente, una simple descarga refleja, de manera que su sustrato anatómico debe ser una vía en el sistema. Por su parte, los hábitos complejos son también simples descargas "concatena-das" en los centros nerviosos, debidas a la presencia en ellos de sistemas de vías reflejas organizadas de modo que unas actúan como estímulos de las otras sucesivamente. "El único problema -reconoce James- mecánico difícil es explicar la formación de novo de un reflejo o vía simple en un sistema nervioso preexistente. (...) Una vez cruzada una vía, es de esperar que la corriente nerviosa se apegue a la ley que siguen la mayoría de las vías que conocemos, que la ahonde más y más para hacerla más permeable que antes, y esto deberá repetirse con cada nuevo paso de la corriente" (James, 1890, p. 89).
En consecuencia, es fácil imaginar cómo a una corriente que ya ha cruzado una vía le sera más fácil cruzarla por segunda vez. Pero aquí se presenta otro escollo: "¿Qué la hizo cruzarla la primera vez? Para contestar a esta pregunta tendremos que apoyarnos en nuestro concepto general del sistema nervioso como una masa de materia cuyas partes se encuentran continuamente en estados de diferente tensión y que constantemente tiende a igualar sus estados" (James, 1890, p. 89). Y partir de aquí ya sólo se puede especular acerca del modo en que las corrientes nerviosas a veces se disparen siguiendo vías desacostumbradas (debido a cambios accidentales en los procesos de nutrición, por ejemplo). Estas nuevas líneas, abiertas simplemente por un concurso de probabilidades, al ser cruzadas en repetidas ocasiones, pueden llegar a ser el inicio de un nuevo arco refleio -de un nuevo hábito, aunque James confiesa que esta explicación es vaga en grado sumo.
En definitiva, para James las influencias externas que penetran en el cerebro ahondan vías (refuerzan hábitos) o crean otras nuevas (establecen nuevos hábitos). Y dichas influencias externas, en consecuencia, modifican tanto la estructura como el funcionamiento cerebral: este es el pleno sentido de la plasticidad cerebral.
A principios del siglo XIX, Johann Spurzheim, uno de los fundadores de la frenología, sugirió que el desarrollo de las facultades mentales y las estructuras cerebrales asociadas a ellas podrían ser estimuladas por el ejercicio y la educación. Y Jean-Baptiste Lamarck, un oponente de Charles Darwin que argumentaba que la evolución se produce por la herencia de las características adquiridas, creía que la especialización de las regiones del cerebro se desarrollan mediante el uso adecuado de las facultades relacionadas".
En la década de 1830, el fisiólogo Theodore Schwann y el botánico Matthias Schleiden desarrollaron la teoría celular, que afirmaba que las células son las unidades estructurales básicas de todos los seres vivos. Sin embargo, los microscopios disponibles en ese momento no eran lo suficientemente potentes para resolver los detalles más finos del tejido nervioso. Todavía no estaba claro si la teoría celular también se aplicaba al sistema nervioso, y a lo largo del siglo XIX hubo un debate sobre la fina estructura del cerebro y la médula espinal. Los investigadores se dividieron en dos bandos: los neurólogos, que creían que el sistema nervioso debe, como todos los demás seres vivos, estar hecho de células, y los reticulares, que argumentaban que está formado por una hoja continua de tejido. El debate se zanjó finalmente en la década de 1890, gracias en gran parte a los trabajos del neuroanatomista español Santiago Ram6n y Cajal.
Aprovechando los avances en la microcroscopia y los nuevos métodos de tinción, Cajal examinó y comparó el tejido nervioso de diferentes especies, incluidos los humanos, y, siendo un artista consumado, documentó sus observaciones en hermosos dibujos. Basándose en su propio trabajo, y en el de varios otros, acumuló suficientes pruebas para convencer a la comunidad científica de que el tejido nervioso está formado por células llamadas neuronas, que forman contactos entre sí. Al hacerlo, estableció la neurociencia moderna como una disciplina por derecho propio, y hoy en día se considera su padre fundador.
Figura 1 (A) Diagrama esquemático que muestra las principales estructuras de una célula nerviosa
(B) Neuronas piramidales de diferentes capas y regiones de la corteza cerebral, basado en los dibujos de Cajal.
Imagen tridimensional de una neurona típica multipolar
Darwin especuló sobre la neuroplasticidad en “El Descenso del Hombre”, publicado en 1874. "He demostrado que los cerebros de los conejos domésticos se reducen considerablemente en volumen, en comparación con los del conejo o las liebres silvestres", escribió, "y esto puede atribuirse a que han estado estrechamente confinados durante muchas generaciones, de modo que han ejercido su intelecto, instintos, sentidos y movimientos voluntarios pero poco". Pero el término "plasticidad" aparece como se mencionó por primera vez en un libro de texto de 1890 llamado "Los Principios de la Psicología" de William James. Aquí, James define la plasticidad como "la posesión de una estructura lo suficientemente débil como para ceder a una influencia, pero lo suficientemente fuerte como para no ceder de golpe"; y explica la formación de hábitos en términos de fortalecimiento de las sinapsis y la formación de nuevas conexiones: "Si los hábitos son debidos a la plasticidad de los materiales a los agentes externos, podemos ver inmediatamente a qué influencias externas, si a alguna, la materia-cerebro es plástica... y es a las corrientes infinitamente atenuadas que se vierten a través [de las raíces nerviosas sensoriales] que la corteza hemisférica se muestra tan peculiarmente susceptible. Las corrientes, una vez que entran, deben encontrar una salida. Al salir dejan sus huellas en los caminos que toman. Lo único que pueden hacer, en resumen, es profundizar en los viejos caminos o hacer otros nuevos."
En 1894, Cajal sugirió que la plasticidad se produce en las uniones entre las células nerviosas y que el ejercicio mental conduce al crecimiento de nuevas ramas de fibras nerviosas. "La teoría de la arborización libre de las ramas celulares capaces de crecer parece no sólo muy probable sino también muy alentadora", dijo en una conferencia en la Royal Society de Londres. "Una red continua preestablecida, una especie de sistema de cables telegráficos sin posibilidad de nuevas estaciones o nuevas líneas, es algo rígido e inmodificable que choca con nuestra impresión de que el órgano de pensamiento es, dentro de ciertos límites, maleable... especialmente durante el período de desarrollo.... Podríamos decir que la corteza cerebral es como un jardín plantado con innumerables árboles -las células piramidales- que, gracias a un cultivo inteligente, pueden multiplicar sus ramas y hundir sus raíces más profundamente, produciendo frutos y flores de cada vez mayor variedad y calidad".
Tres años más tarde, el neurofisiólogo británico Charles Sherrington denominó a estas uniones "sinapsis", de las palabras griegas syn, que significa "juntos", y haptein, que significa "agarrar", y afirmó que las sinapsis son probablemente los sitios en los que se aprende. Se refirió explícitamente al fortalecimiento de la sinapsis: "Desconectada de todas las oportunidades de reproducirse, la célula nerviosa dirige su energía acumulada hacia la amplificación de sus conexiones con sus congéneres, en respuesta a los acontecimientos que la agitan". Otros desafiaron la noción de que el aprendizaje podría inducir nuevas ramas de fibras nerviosas, señalando la evidencia de que hay mucha menos variación en el tamaño del cerebro que en el de cualquier otro órgano, y que el volumen cerebral parece permanecer constante durante gran parte de la vida.
Cajal se adelantó a esta objeción sugiriendo una "disminución recíproca de los cuerpos celulares o una reducción de otras áreas cuya función no está directamente relacionada con la inteligencia". Sin embargo, menos de 10 años después, Cajal parece haber cambiado de opinión. "Una vez que el desarrollo terminó, las fuentes de crecimiento de los axones y dendritas se secaron irrevocablemente", escribió en su libro de texto de 1913, Degeneración y Regeneración del Sistema Nervioso. "En los centros adultos, los caminos nerviosos son algo fijo, terminado e inmutable. Todo puede morir, nada puede ser regenerado." Este punto de vista se convirtió rápidamente en uno de los dogmas centrales de la neurociencia, y los investigadores llegaron al consenso general de que el cerebro no se ve afectado materialmente por el aprendizaje, la experiencia o el entrenamiento.
UNA REVOLUCIÓN EN LA NEUROCIENCIA MODERNA
Este dogma persistió hasta mediados del siglo XX. Sin embargo, a principios de los años sesenta, los fisiólogos David Hubei y Torsten Wiesel hicieron una serie de descubrimientos semianuales sobre cómo las experiencias sensoriales afectan al cerebro en desarrollo, y el neurocientífico Paul Bach-y-Rita aportó pruebas de que el cerebro humano adulto no está tan fijo después de todo, utilizando un dispositivo de "sustitución sensorial" que permitía a las personas ciegas "ver" con su sentido del tacto. Varios otros investigadores informaron de que habían visto nacer nuevas células en los cerebros de animales adultos de diversas especies, pero fueron en gran medida ignorados o ridiculizados. Luego, en 1973, Tim Bliss y Terje Lomo informaron del descubrimiento de la potenciación a largo plazo (LTP), un mecanismo fisiológico por el cual las sinapsis podían reforzarse durante períodos prolongados. Este fue otro descubrimiento fundamental. Hoy en día, la modificación sináptica se considera ampliamente como la base celular del aprendizaje y la memoria, y como tal, la LTP es, con mucho, el modo de neuroplasticidad más intensamente estudiado y mejor comprendido. Desde el descubrimiento inicial, los investigadores han acumulado una gran cantidad de conocimientos sobre los mecanismos moleculares que subyacen a la LTP y los procesos relacionados. Irónicamente, sin embargo, el trabajo nos dice muy poco acerca de cómo el aprendizaje y la memoria podría ser mejorado. A finales de la década de 1990, surgieron más pruebas directas de neuroplasticidad, con el descubrimiento de las células madre neurales en el cerebro adulto. Esto, más que nada, convenció a la comunidad científica: el consenso cambió una vez más, y la neuroplasticidad fue aclamada como un nuevo y revolucionario descubrimiento que anuló todo lo que creíamos saber sobre el cerebro. Ahora, con tecnologías más avanzadas a su disposición, los neurocientíficos pueden visualizar el cerebro con un detalle sin precedentes y manipular la actividad neuronal con gran precisión.
Estos nuevos métodos han descubierto otros numerosos modos de neuroplasticidad y también han dilucidado algunos de los mecanismos subyacentes. La neuroplasticidad puede verse de varias formas en cada nivel de la organización del sistema nervioso, desde los niveles más bajos de actividad molecular y la estructura y función de las células individuales, pasando por los niveles intermedios de poblaciones discretas de neuronas y redes neuronales generalizadas, hasta el nivel más alto de sistemas y comportamiento en todo el cerebro. Algunos ocurren continuamente a lo largo de la vida, otros sólo en períodos específicos de la vida, y los diferentes tipos pueden ser inducidos tanto por separado como juntos.
La neuroplasticidad puede observarse de diversas formas en todos los niveles de organización del sistema nervioso, desde los niveles más bajos de actividad molecular hasta el nivel más alto de sistemas y comportamiento en todo el cerebro.
En términos generales, hay dos tipos principales de neuroplasticidad: a) La plasticidad funcional implica cambios en algún aspecto fisiológico de la función de las células nerviosas, como la frecuencia de los impulsos nerviosos o la probabilidad de liberación de una señal química -ambas actúan para hacer las conexiones sinápticas más fuertes o más débiles- o cambios en el grado de sincronicidad entre las poblaciones de células.
b) Plasticidad estructural- incluye cambios volumétricos en regiones discretas del cerebro y la formación de nuevas vías neuronales, provocados ya sea por la formación de nuevas ramas de fibras nerviosas y sinapsis o por el crecimiento y la adición de nuevas células. Estos diferentes modos de plasticidad ocurren en un amplio rango de escalas de tiempo. La modificación de las sinapsis puede ocurrir en una escala de tiempo de milisegundos, las sinapsis y las dendritas.
Las ramas se crean o destruyen en el espacio de varias horas, y las nuevas células pueden ser bombardeadas o muertas en períodos de días.
Otras formas de neuroplasticidad se producen en plazos aún más largos; por ejemplo, la maduración del cerebro implica un período prolongado de mayor plasticidad que persiste desde el final de la infancia hasta la primera etapa de la edad adulta, y la pérdida del sentido de la vista o del oído o el daño cerebral que se produce induce cambios graduales que se producen en las semanas, meses y años siguientes.
SUSTITUCIÓN SENSORIAL
A principios de 1800, la neurología comenzó a florecer cuando los investigadores investigaron el cerebro y formularon nuevas teorías sobre cómo su estructura y función están relacionadas con el comportamiento y las funciones mentales. Durante la primera mitad del siglo, el campo estuvo dominado por la frenología, una disciplina pseudocientífica que intentaba determinar los rasgos mentales de las personas a partir de las medidas del cráneo. Este enfoque acabó cayendo en descrédito, dando paso a otra teoría llamada la localización de la función cerebral, según la cual el cerebro se compone de áreas anatómicas discretas, cada una especializada para realizar una función específica.
En trabajos posteriores se identificaron las regiones sensoriales y motoras del cerebro, revelando no sólo que son las responsables de sentir y moverse, respectivamente, sino que estas regiones están siempre localizadas en la misma parte del cerebro. Así pues, cuando nació la neurociencia moderna, hacia finales del siglo XX, la idea de que la corteza cerebral está compuesta por regiones discretas especializadas para el lenguaje, el tacto, la visión, etc., ya había echado raíces firmes. Con el tiempo, sin embargo, comenzaron a surgir pruebas de que la corteza es, de hecho, altamente plástica, y que la llamada organización modular del cerebro no está grabada en piedra. Muchas de estas pruebas provienen de estudios de personas ciegas y sordas, cuyos cerebros han sido completamente privados de un cierto tipo de entrada sensorial. Estos trabajos muestran claramente que estas áreas corticales no son tan especializadas como alguna vez pensamos - por ejemplo, las regiones visuales y auditivas de la corteza no sólo pueden procesar información de otros órganos sensoriales, pero también pueden contribuir a procesos no sensoriales como el lenguaje.
Con el tiempo, sin embargo, comenzaron a surgir pruebas de que la corteza es de hecho altamente plástica, y que esta llamada organización modular no está grabada en piedra.
DE LA FRENOLOGÍA A LA LOCALIZACIÓN DE LA FUNCIÓN CEREBRAL
La frenología fue fundada por el gran anatomista Franz Joseph Gall, quien declaró que formuló sus ideas por primera vez a los nueve años de edad. Cuando era niño, Gall había notado que un compañero de clase con una memoria superior para las palabras también tenía ojos saltones, y creía que las dos características aparecían juntas en otros. "Aunque no tenía ningún conocimiento preliminar, me asaltaba la idea de que los ojos así formados eran la marca de una excelente memoria", escribió. "Más tarde... Me dije a mí mismo: si la memoria se muestra por una característica física, ¿por qué no otras? Y esto me dio el primer incentivo para todas mis investigaciones."
Gall comenzó a dar conferencias sobre frenología en 1796, un año después de graduarse de la escuela de medicina, y publicó su teoría por primera vez en 1808. Llegó a creer que la región sobre los ojos estaba dedicada a la "Facultad de Atención y Distinción de Palabras, Recuerdos de Palabras, o Memoria Verbal". Más tarde, documentó los casos de dos hombres que no podían recordar los nombres de sus familiares y amigos como resultado de las heridas de espada sobre el ojo, lo que tomó como confirmación de las primeras observaciones que había hecho en la escuela. Creía que la "Destructividad" residía sobre la oreja, porque esta región era prominente en otra escuela que conocía, que era "aficionado a torturar animales", y en un boticario que se convirtió en un verdugo. Localizó la "Idealidad" en otra región un poco más atrás, porque esa región parecía ser desproporcionadamente grande en los carteristas que había conocido; y la "Idealidad" en una región que creía que era prominente en las estatuas de poetas, escritores y otros grandes pensadores, la zona de la cabeza que frotaban mientras escribían. Gall coleccionó unos 400 cráneos a lo largo de su carrera, incluidos los de intelectuales públicos y psicópatas, y su teoría se basaba casi exclusivamente en las mediciones que tomaba de ellos. En total, afirmó haber localizado 27 facultades mentales, y argumentó que 19 de ellas -incluyendo el coraje y los sentidos del espacio y el color- también podían demostrarse en animales, mientras que otras -como la sabiduría, la pasión y el sentido de la sátira- eran exclusivas de los humanos. Aunque se enfrentaron a críticas todo el tiempo, los frenólogos siguieron siendo influyentes hasta mediados del siglo XIX. Sin embargo, con el tiempo sus métodos fueron desacreditados como no científicos, aunque Gall y sus colegas habían "escogido" sus pruebas, descartando las que eran incompatibles con su teoría, y así, en el decenio de 1870 la teoría de la localización había llegado a ser ampliamente aceptada, en gran parte como resultado de investigaciones clínicas en pacientes con daños cerebrales. En 1861, un médico francés llamado Pierre Paul Broca describió a un puñado de pacientes con derrame cerebral que habían sido admitidos en el hospital donde trabajaba, todos los cuales habían perdido la capacidad de hablar. A su muerte, Broca examinó sus cerebros y observó que todos ellos estaban dañados en la misma región del lóbulo frontal izquierdo. Diez años más tarde, el patólogo alemán Karl Wernicke describió a otro grupo de pacientes de apoplejía, que habían perdido la capacidad de comprender el lenguaje hablado debido a los daños que afectaban a una región del lóbulo temporal izquierdo.
Otros encontraron aún más pruebas de la localización de la función cerebral. En particular, los fisiólogos Gustav Fritz y Eduard Hitzig estimularon eléctricamente y destruyeron se-lectivamente partes del cerebro de los animales; al hacerlo, localizaron la corteza motora primaria al giro precentral y confirmaron que esta franja de tejido cerebral en cada hemisferio controla los movimientos del lado opuesto del cuerpo. Pero fue en gran parte debido al trabajo de Broca que la teoría de localización cortical ganó una amplia aceptación.:
LOS MAPEADORES DE CEREBRO
Para cuando la neurociencia moderna fue bombardeada en torno al bum del siglo XX, la idea de que la corteza cerebral está compuesta de regiones anatómicas discretas con funciones especializadas ya estaba firmemente establecida. Aún así, surgieron más pruebas a principios del siglo XX, y así el concepto se afianzó aún más.
Por esta época, un neuroanatomista alemán llamado Korbinian Brodmann comenzó a examinar la estructura microscópica del cerebro humano, y observó que podía distinguir entre diferentes partes según la forma en que las células están organizadas en cada una. Sobre esta base, Brodmann dividió la corteza cerebral en 52 regiones y le asignó un número a cada una. El sistema de clasificación neuroanatómica de Brodmann se sigue utilizando hasta el día de hoy: las áreas de Brodmann 1, 2 y 3 constituyen la corteza somatosensorial primaria, que se encuentra en el giro poscentral y recibe la información táctil de la superficie de la piel; el área 4 de Brodmann es la corteza motora primaria y el área 17 de Brodmann es la corteza visual primaria.
En el decenio de 1920, el neurocirujano canadiense Wilder Penfield fue pionero en una técnica para estimular eléctricamente los cerebros de los pacientes con epilepsia consciente, a fin de determinar la ubicación del tejido cerebral anormal que causa sus convulsiones Por lo general, la epilepsia puede tratarse eficazmente con medicamentos anticonvulsivos, pero en la minoría de los pacientes que no responden a los medicamentos se puede recurrir a la cirugía como último recurso, para eliminar el tejido anormal y aliviar las convulsiones debilitantes.
El cerebro es un órgano sumamente complejo, y la neurocirugía siempre corre el riesgo de causar daños colaterales en las zonas que intervienen en funciones importantes como el lenguaje y el movimiento.
Para evitar tales daños, Penfield deliberadamente mantuvo a sus pacientes conscientes mientras estimulaba eléctricamente el córtex, para que pudieran informarle de sus experiencias. Cuando estimulaba el giro poscentral, por ejemplo, los pacientes describían haber sentido una sensación táctil en alguna parte de su cuerpo; la estimulación del giro precentral hacía que los músculos de la parte correspondiente del cuerpo se contrajeran; y la estimulación de partes del lóbulo frontal izquierdo interfería con la capacidad de hablar. De esta manera podía delinear los límites del tejido anormal y volver a moverlo sin infligir daño al tejido circundante. Penfield operó a unos 400 pacientes y en el proceso trazó un mapa de las zonas motoras primarias y somatosensoriales hasta el giro pre y poscentral, respectivamente. Descubrió que ambas franjas de tejido cerebral están organizadas topográficamente, de manera que las partes adyacentes del cuerpo están representadas en las regiones adyacentes del tejido cerebral (con algunas excepciones menores); y que no todas las partes del cuerpo están representadas por igual en el cerebro: la gran mayoría de las corticales motoras y somatosensoriales primarias están dedicadas a la cara y las manos, que son las partes más articulables y sensibles del cuerpo. Penfield resumió estos importantes descubrimientos en los diagramas de homúnculos ("hombrecito") elaborados por su secretario. Estos dibujos ilustraban la organización de los corticosteroides motores y somatosensoriales primarios y la proporción de sus tejidos dedicada a cada parte del cuerpo, y posteriormente fueron adaptados en modelos tridimensionales bien conocidos.
SUSTITUCIÓN SENSORIAL
Las primeras pruebas de que esta localización de la función cerebral no es fija proceden de los estudios realizados a finales de los años sesenta por Paul Bach-y-Rita, que construyó un dispositivo que permitía a los ciegos "ver" con el sentido del tacto. El dispositivo consistía en un sillón de dentista modificado, equipado con 400 grandes clavijas vibratorias dispuestas en una matriz de 20 por 20 en el respaldo, y conectado a una gran cámara de vídeo que estaba detrás de él en un gran trípode. Bach-y-Rita reclutó a un puñado de ciegos para probar el aparato, entre ellos un psicólogo que había perdido la vista a los cuatro años. Para usarlo, los sujetos simplemente se sentaron en la silla y movieron lentamente la cámara de un lado a otro con un mango. Mientras lo hacían, la imagen de la cámara se convertía en un patrón de vibraciones en el conjunto de alfileres del respaldo. Con un extenso entrenamiento, los sujetos aprendieron a utilizar las sensaciones táctiles para interpretar escenas visuales con precisión, comenzando, después de una hora de entrenamiento, con la capacidad de discriminar líneas verticales, horizontales, diagonales y curvas, y luego a reconocer formas. Después de más de unas 10 horas de entrenamiento, todos ellos podían reconocer objetos domésticos comunes, discernir las sombras y la perspectiva, e incluso identificar a otras personas a partir de sus rasgos faciales Bach-y-Rita argumentó que esta capacidad se debía a mecanismos "multimodales", por los que la información que normalmente se transmite por un sentido, como la visión, es de alguna manera transformada y transmitida por otro, como el tacto o el sonido.
Desde entonces, los investigadores han documentado numerosos ejemplos de plasticidad intermodal, utilizando técnicas modernas de neuroimagen como la resonancia magnética funcional (fMRI) y la estimulación magnética transcraneal (TMS). Los estudios de imágenes cerebrales revelan que la corteza visual primaria se activa cuando los ciegos leen el braille, lo que requiere un control motor fino y una discriminación táctil para reconocer los patrones de puntos elevados. Esta activación se asocia con una mayor actividad en las regiones visuales descendentes implicadas en el reconocimiento de formas y con una actividad reducida en el área somatosensorial, en comparación con las personas videntes. El mismo patrón se encuentra no sólo en las personas que nacieron ciegas y en las que perdieron la vista a una edad temprana, sino también en las que quedaron ciegas más tarde. La interferencia en la actividad de la corteza visual, por ejemplo, mediante el uso del TMS, impide la percepción del tacto en las personas ciegas pero no en los controles de la vista, lo que confirma que la actividad en la corteza visual está relacionada de hecho con el procesamiento de la información táctil, y no simplemente por casualidad. Las personas ciegas también pueden aprender a navegar por ecolocalización, haciendo sonidos de chasquidos con la lengua o de golpecitos con los pies, y utilizando la información de los ecos retomados para percibir los aspectos físicos de su entorno. Esto requiere una gran cantidad de entrenamiento, pero aquellos que se hacen expertos en ello pueden usar la ecolocalización para realizar acciones extremadamente complejas que la mayoría de nosotros no podríamos imaginar sin la vista, como jugar a videojuegos o montar en bicicleta. Y cuando los ciegos se ecolocan, la información sonora se procesa en las partes visuales en lugar de las auditivas del cerebro.
Lóbulo parietal
Lóbulo frontal
Lóbulo temporal
Lóbulo occipital
El sistema visual suele estar dividido en dos vías distintas que corren en paralelo a través del lóbulo occipital en la parte posterior del cerebro: una vía superior que procesa la información espacial (la vía del "dónde") y una inferior que participa en el reconocimiento de objetos (la vía del "qué"). Esta organización parece conservarse en los ciegos: cuando los ciegos aprenden a ecolocalizar, la parte superior de la corteza visual se activa cuando localizan objetos y la parte inferior cuando los identifican. Así, cuando se le priva de las entradas sensoriales que normalmente recibe, la corteza visual puede cambiar de función y procesar otros tipos de información sensorial. Aún más notablemente, puede adaptarse de tal manera que realice otras funciones no sensoriales, como el lenguaje. El mismo tipo de experimentos de escaneo cerebral muestran que esta región del cerebro se activa cuando los ciegos generan verbos, escuchan el lenguaje hablado y realizan tareas de memoria verbal y de procesamiento verbal de alto nivel. Las personas ciegas superan a los sujetos videntes en estas tareas, y el grado de activación en sus corticales visuales está estrechamente relacionado con su desempeño en las pruebas de memoria verbal. Estos estudios también muestran que la lectura del braille activa preferentemente la parte delantera de la corteza visual, mientras que el lenguaje activa la región posterior, y algunos encuentran que la corteza visual izquierda se vuelve más activa que la derecha durante las tareas de lenguaje, posiblemente porque los centros del lenguaje están normalmente situados en el hemisferio izquierdo. Y así como interferir con la actividad de la corteza visual interrumpe la capacidad de las personas ciegas para procesar las sensaciones táctiles y entender el braille, también afecta a su rendimiento en las tareas de memoria verbal.
Los cerebros de las personas sordas también muestran grandes cambios plásticos. En las personas oyentes, la información sonora de los oídos es procesada por las corticales auditivas en los lóbulos temporales. En las personas sordas, sin embargo, estas mismas áreas cerebrales se activan en respuesta a los estímulos visuales. Las personas sordas también parecen tener una visión periférica mejorada. Esto se relaciona con un aumento en el área total del disco óptico, donde las fibras del nervio óptico salen del ojo en su camino hacia el cerebro, y con el engrosamiento de sus bordes; también sugiere que el flujo "donde" de la vía visual es más fuerte. La neuroplasticidad en las personas sordas no se limita a los sistemas visuales y auditivos. Usando imágenes con tensores de difusión (DTI) para visualizar la conectividad del cerebro, los investigadores han encontrado que la sordera está asociada con cambios importantes en las vías neurales de largo alcance, especialmente aquellas entre las áreas sensoriales de la corteza cerebral y una subestructura cortical llamada tálamo. El tálamo tiene muchas funciones importantes, en particular la de transmitir información de los órganos sensoriales a la región cortical apropiada, regulando así el flujo de información entre las diferentes regiones de la corteza. Las personas sordas muestran cambios en la estructura microscópica de las conexiones tálamo-córtico en cada lóbulo del cerebro, en comparación con las personas oyentes. Así pues, la sordera parece inducir cambios plásticos en todo el cerebro que alteran profundamente la forma en que la información fluye a través del cerebro. Con los avances en la tecnología, los dispositivos de sustitución sensorial han recorrido un largo camino desde el engorroso artilugio de Bach-y-Rita. En lugar de utilizarlos sólo como herramientas experimentales, muchos grupos de investigación están desarrollando ahora estos dispositivos como prótesis que ayudan a las personas ciegas y sordas a compensar su pérdida sensorial, y en junio de 2015 uno de estos dispositivos fue aprobado para su uso por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA).
El BrainPort V100 es esencialmente una versión miniaturizada del aparato de Bach-y-Rita, que consiste en una cámara de vídeo montada sobre un par de gafas de sol, y una serie de electrodos de 20 por 20 ajustados en una pequeña pieza plana de plástico que se coloca en la boca. El software de la computadora traduce las imágenes visuales de la cámara y las transmite a los electrodos, de modo que se perciben como un patrón de sensaciones de hormigueo en la lengua. En las pruebas, alrededor del 70% de los ciegos aprenden a usar el dispositivo para reconocer objetos después de un año de entrenamiento.
PROCESAMIENTO INTERMODAL E INTEGRACIÓN MULTISENSORIAL
Como muestran los estudios sobre ceguera y sordera, la corteza cerebral tiene una notable capacidad de plasticidad, y la localización de la función cerebral no es tan estricta como la que los neurólogos del siglo XIX creían que era. Las regiones que normalmente se especializan en realizar una función específica pueden cambiar de función y procesar otros tipos de información, y se ha demostrado que la corteza visual en particular es capaz de realizar una variedad de funciones no visuales.
Las regiones que normalmente se especializan para desempeñar una función específica pueden cambiar de función y procesar otros tipos de información, y se ha demostrado que la corteza visual en particular es capaz de realizar una variedad de funciones no visuales.
En circunstancias normales, las vías sensoriales del cerebro no están totalmente separadas, sino que están interconectadas y, por lo tanto, pueden interactuar e influirse mutuamente de diversas maneras. Y aunque la mayoría de las áreas sensoriales primarias se especializan en el procesamiento de información procedente de un órgano sensorial determinado, la mayoría de sus interlocutores posteriores son las denominadas áreas de asociación, que combinan diversos tipos de información en un proceso denominado integración multisensorial. El procesamiento intermodal y la integración multisensorial son aspectos importantes del funcionamiento normal del cerebro, como demuestra el efecto McGurk.
El efecto McGurk es una poderosa ilusión que surge cuando hay una discrepancia entre lo que vemos y lo que oímos: el mejor ejemplo es un clip de película de alguien diciendo la letra g, doblado con una voz diciendo la letra b, que se percibe como d. Este consistente error muestra claramente que la visión y el oído interactúan y que la interacción ayuda a nuestra percepción del habla. Algunos investigadores ahora argumentan que la sustitución sensorial comparte características de, y es una forma artificial de, una condición neurológica llamada sinestesia, en la que La información sensorial de un tipo da lugar a percepciones en otra modalidad sensorial. Por ejemplo, el físico Richard Feynman era un sinésteta de color grafema, para quien cada letra del alfabeto provocaba la sensación de un color específico, de modo que veía letras de color cuando miraba las ecuaciones. El artista Wassily Kandinsky tenía otra forma de sinestesia. Experimentó sensaciones sonoras en respuesta a los colores, y una vez dijo que intentó crear el equivalente visual de una sinfonía de Beethoven en sus pinturas. Alguna vez se pensó que era extremadamente rara, pero ahora se cree que la sinestesia es relativamente común, y puede ser experimentada por una de cada cien personas, o más. Más del 40% de los sinéstetas tienen un pariente con la enfermedad, lo que indica que la genética juega un gran papel. Sin embargo, con la formación, los no sinestésicos pueden aprender a asociar las letras con colores o sonidos, de modo que evocan experiencias sinestésicas, y es probable que este aprendizaje también se produzca como resultado de la plasticidad intermodal. Todavía no está claro exactamente cómo surge la plasticidad intermodal, pero es probable que implique una serie de procesos. Durante el desarrollo, las conexiones neuronales se forman de manera algo aleatoria, y luego se vuelven a podar en respuesta a las experiencias sensoriales que las refinan y afinan.
Normalmente, la mayoría de las conexiones intermodales se eliminan, pero algunas permanecen en su lugar para el procesamiento multisensorial. La plasticidad intermodal puede suponer el "desenmascaramiento" de las conexiones y vías intermodales existentes que habían estado inactivas, o la formación de otras totalmente nuevas, o ambas cosas. La sinestesia puede producirse debido a mecanismos similares, y los genes asociados a ella pueden desempeñar un papel en la prevención de la poda adecuada de las vías intermodales durante el desarrollo del cerebro. La cuestión de cómo se especializan las regiones de la corteza cerebral para realizar una función determinada es particularmente intrigante. Es probable que la especialización se produzca como resultado de factores tanto genéticos como ambientales.
Es probable que las células de una región determinada activen combinaciones específicas de genes que las predispongan a realizar una función determinada, basándose en el lugar exacto en que se encuentran y en las conexiones que forman. Este plano puede entonces construirse a medida que la información sensorial esculpe el circuito en desarrollo, o modificarse según sea necesario en ausencia de un tipo de información u otro. Esta imagen está respaldada por un estudio realizado en 2014, en el que se demostró que la eliminación de un solo gen podría volver a especificar la identidad de las neuronas de la corteza somatosensorial primaria de los ratones adultos, de manera que esas células procesaran información de otras modalidades sensoriales.
PLASTICIDAD DEL DESARROLLO
El cerebro humano es un órgano de una complejidad asombrosa, que contiene según las últimas referencias un promedio de 86 mil millones de neuronas, un número aún mayor de células gliales y algo del orden de un cuatrillón de conexiones sinápticas exquisitamente precisas. El buen funcionamiento del sistema nervioso depende de que todas estas conexiones se formen correctamente; pero, ¿cómo se desarrolla un órgano tan complejo? Ha desarrollado una estrategia de alta redundancia, es decir, el cerebro en desarrollo produce muchas más células nerviosas de las que realmente necesita, pero mata a muchas de ellas, y las que sobreviven pasan a formar una sobreabundancia de conexiones sinápticas antes de podar las equivocadas o exuberantes. Estos procesos están gobernados por la genética pero dependen en gran medida del entorno y la experiencia durante el período postnatal temprano, factores que afinan los circuitos neuronales a medida que se van estableciendo).
FACTORES DE CRECIMIENTO Y SUICIDIO CELULAR
A finales de la década de 1940, una joven Rita Levi-Montalcini se unió al laboratorio del renombrado embriólogo Victor Hamburger y se dedicó a comprender la relación entre el sistema nervioso en desarrollo y los órganos y otros tejidos que éste inerva. En sus propios experimentos, Hamburger había quitado los miembros en desarrollo de los embriones de pollo y notó que las neuronas sensoriales primarias, que extienden fibras a los músculos de los miembros, no sobrevivían en ausencia de sus tejidos "objetivo". Concluyó que las células nerviosas dependen en gran medida de su destino final para madurar en un tipo determinado.
Levi-Montalcini especuló, en cambio, que la eliminación de los tejidos objetivo hizo que las células nerviosas sufrieran algún tipo de proceso degenerativo. Trabajando juntos, repitieron los experimentos de Hamburgo y confirmaron sus hallazgos iniciales. La eliminación de un brote de un miembro causó la muerte de las neuronas sensoriales y, a la inversa, el injerto de un miembro supernumerario en el embrión dio lugar a la supervivencia de más células. Esto llevó a Levi-Montalcini a formular la hipótesis de que los tejidos diana proporcionan una señal de retroalimentación necesaria para la supervivencia neuronal, y que la falta de esa señal, o su baja disponibilidad, causa la muerte de las células2 . Otros habían descubierto que los nervios crecían rápidamente hasta convertirse en tumores que habían sido transplantados a embriones de pollos, lo que llevó a Levi-Montalcini a la hipótesis de que el tejido transplantado secretaba un factor difusible que favorecía la supervivencia neuronal. Trabajando con el bioquímico Stanley Cohen, añadió veneno de serpiente a las neuronas sensoriales que crecían en las placas de Petri, y encontró que esto en realidad producía más fibra nerviosa que los tumores... Cohen por lo tanto sugirió que estudiaran las glándulas salivales de los ratones, el equivalente mamífero de la glándula del veneno de serpiente. Fortuitamente, encontraron que las glándulas salivales eran una rica fuente de la señal de retroalimentación, así que tuvieron éxito en la purificación de la molécula y demostraron que era una pequeña proteína, que llamaron factor de crecimiento nervioso (NGF). Cohen y Levi-Montalcini luego pasaron a producir anticuerpos contra el NGF, y demostraron además que los anticuerpos bloqueaban el efecto de la proteína en roedores recién nacidos y también en las células nerviosas que crecían en las placas de Petri. Estos experimentos demostraron de manera concluyente que el NGF es una proteína difusible que es secretada por ciertos tejidos y promueve la supervivencia y diferenciación neuronal. El trabajo de Levi-Montalcini proporcionó pruebas directas de que la muerte celular extensa ocurre durante el desarrollo neuronal, y explicó claramente cómo el suministro nervioso coincide exactamente con el tamaño de los órganos y otros tejidos objetivo.
Según la hipótesis neurotrófica, las células nerviosas se sobreproducen inicialmente pero luego compiten por un suministro limitado de NGF derivado del objetivo; las que reciben la señal sobreviven y se someten a la maduración, mientras que las que no se marchitan y mueren. El FCN fue el primer factor de crecimiento que se identificó. Su descubrimiento y caracterización fue un hito importante en nuestra comprensión del desarrollo neuronal, y Levi-Montalcini y Cohen compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1986 por su trabajo. Desde entonces, el desarrollo de las técnicas de biología molecular ha llevado a la identificación de otras docenas de los llamados factores neurotróficos, cada uno de los cuales favorece la supervivencia de una población específica o de poblaciones de células en el sistema nervioso en desarrollo.
También se han identificado las proteínas receptoras de membrana que median sus efectos, y también estamos empezando a comprender algunos detalles sobre su funcionamiento: la unión hace que el complejo de proteínas receptoras de factores de crecimiento sea intemalizado por la célula y luego transportado de vuelta al núcleo, con lo que puede activar o desactivar los programas genéticos. Pronto quedó claro que la muerte celular extensa es una característica normal del desarrollo neuronal en todos los organismos. Este proceso se llama muerte celular programada. Regula el tamaño de las poblaciones neuronales, el espaciamiento y posicionamiento adecuados de las células y la aparición de la forma, entre otras funciones, y por lo tanto es vital para el desarrollo adecuado del cerebro. La muerte celular está bajo control genético, y requiere genes "ejecutores" que codifican las enzimas llamadas caspasas. Durante el desarrollo, la ausencia de señalización neurotrófica finalmente activa estos genes de muerte celular. Una vez que el suicidio celular se ha activado, las proteínas de la caspasa empiezan a descomponer la célula desde dentro: el ADN y las proteínas del andamiaje de la célula se cortan en fragmentos, causando una condensación de cromosomas, contracción de la célula y blanqueamiento de la membrana, todo lo cual da a la célula moribunda un aspecto característico. Por último, las células inmunes llamadas macrófagos se engulfan y eliminan los desechos celulares.
FORMACIÓN DE LA SINAPSIS
Las neuronas inmaduras en el cerebro en desarrollo son altamente promiscuas, formando muchas más conexiones sinápticas de las que necesitan, antes de recortar las exuberantes, desparejas y redundantes. La formación de sinapsis (o sinaptogénesis) se entiende mejor en la unión neuromuscular, donde la terminal del nervio motor entra en contacto con el tejido muscular esquelético. Cajal había reconocido desde el principio que estas sinapsis son mucho más accesibles y fáciles de estudiar que las del cerebro, que son mucho más pequeñas y más densas. "Ya que el bosque crecido resulta ser impenetrable e indefinible;" escribió en su autobiografía, Recuerdos de mi vida, "¿por qué no volver al estudio del bosque joven, en la etapa de vivero, como podríamos decir?" En la unión neuromuscular, la neurona motora libera el neurotransmisor acetilcolina, que se une a los receptores de las fibras musculares, haciendo que se contraigan. Inicialmente, sin embargo, ni la terminal nerviosa ni el músculo están listos para realizar este proceso de señalización. El extremo de la fibra nerviosa en desarrollo toma la forma de un cono de crecimiento -una estructura dinámica cubierta con proyecciones similares a las de los dedos llamadas filopodios que detecta señales químicas en el entorno local para guiar la punta de crecimiento de la fibra nerviosa a su destino adecuado, estableciendo nuevo material como procede. De la misma manera, la masa muscular inmadura aún no se ha dividido en células musculares individuales, y sus moléculas receptoras de acetilcolina están distribuidas uniformemente debajo de la membrana.
Las neuronas inmaduras en el cerebro en desarrollo son muy promiscuas, formando muchas más conexiones sinápticas de las que necesitan, antes de recortar las exuberantes, desparejas y redundantes.
La formación y maduración de las sinapsis depende en gran medida de las interacciones entre el nervio inmaduro y el músculo. A medida que el cono de crecimiento extiende su punta a la fibra muscular, libera una ráfaga de acetilcolina, y esto causa una redistribución de los receptores de acetilcolina, que primero se agrupan y luego se inmovilizan en lugares específicos de la membrana. La inervación del músculo por el nervio aumenta la conductividad de los receptores ya presentes en el músculo, y también provoca la síntesis de nuevas moléculas receptoras, que se insertan en la membrana del músculo. En consecuencia, la masa muscular se divide finalmente en fibras musculares individuales, cada una con una zona receptora especializada llamada placa final. Cuando el proceso se complete, habrá aproximadamente 20.000 receptores de acetilcolina por micrómetro cuadrado de placa final, varios miles de veces la densidad de otras regiones de la membrana muscular. En las primeras etapas de desarrollo, los conos de crecimiento neuronal se dividen y envían ramas de la fibra nerviosa inmadura a más de una fibra muscular. Pero a medida que el desarrollo avanza y las neuronas maduran, el número de conexiones sinápticas disminuye gradualmente. La actividad eléctrica espontánea estabiliza algunos de los conos y la experiencia los fortalece aún más. Este proceso también depende, al menos en parte, de la disponibilidad de factores de crecimiento en las células musculares. Así, las ramas de las fibras nerviosas que no reciben un suministro adecuado de factores de crecimiento se retraen, y las sinapsis que no se refuerzan con la actividad y la experiencia se eliminan, de tal manera que cada neurona motora madura inerva sólo una fibra.
Las sinapsis en el cerebro y la médula espinal difieren de la unión neuromuscular de varias maneras importantes. Mientras que la unión neuromuscular conecta el nervio con el músculo, las sinapsis cerebrales conectan los elementos neuronales entre sí, una terminal nerviosa con un cuerpo de células nerviosas, un axón o una dendrita. Y mientras que una neurona motora madura se conecta a una sola fibra muscular, se estima que las neuronas del cerebro forman una media de unas 10.000 conexiones sinápticas con otras células. Dado su pequeño tamaño, complejidad e inaccesibilidad, sabemos mucho menos sobre cómo se forman las sinapsis cerebrales. Sin embargo, se cree que se reúnen básicamente de la misma manera que las de la unión neuromuscular. En todos los organismos, la formación de sinapsis comienza durante el desarrollo embrionario y continúa durante el período postnatal temprano. En los humanos, se han observado sinapsis funcionales a las 23 semanas de gestación. Los pocos estudios postmortem realizados hasta ahora sugieren que las sinapsis se forman a ritmos diferentes dentro de las distintas regiones del cerebro, pero que típicamente el número de sinapsis en la mayoría o en todas las regiones alcanza su máximo durante el primer año de vida. En la corteza visual, por ejemplo, la formación y estabilización de las sinapsis depende en gran medida de la experiencia visual (véase más adelante), y el número de conexiones sinápticas alcanza su máxima densidad entre los 2,5 y los 8 meses de edad. En cambio, algunas regiones de la corteza frontal en desarrollo siguen creando nuevas sinapsis hasta bien entrado el tercer año de vida.
PODA SINÁPTICA
Las conexiones neuronales no deseadas son eliminadas del sistema nervioso en desarrollo por un proceso llamado poda sináptica. Hasta hace relativamente poco tiempo, se creía ampliamente que la poda sináptica en la corteza cerebral se produce sobre todo en la pubertad y se completa durante los primeros años de la adolescencia. Sin embargo, en los últimos años ha quedado claro que la poda sináptica en la corteza prefrontal continúa hasta bien entrado el tercer decenio de la vida, antes de que el número total de sinapsis en el cerebro se estabilice a los niveles de los adultos . Así pues, mientras que el cerebro humano alcanza su tamaño completo alrededor de los 16 años de edad, la corteza prefrontal no alcanza su plena madurez hasta que se completa esta poda, y estos cambios cerebrales graduales se asocian con cambios en el comportamiento. La corteza frontal está asociada con funciones complejas como la toma de decisiones y la evaluación de las recompensas y, como tarda tanto en alcanzar la plena madurez, los adolescentes tienden a poner gran énfasis en obtener la aprobación de sus compañeros, y a menudo se involucran en comportamientos arriesgados para hacerlo. A medida que la poda sináptica refina el circuito prefrontal durante la segunda y tercera décadas de la vida, las funciones ejecutivas mejoran, y los adultos se comportan de manera más responsable. La formación de sinapsis y la poda ocurren extensamente en el cerebro embrionario, y son vitales para su desarrollo adecuado. Sin embargo, ninguno de los dos procesos se limita al desarrollo: el cerebro adulto sigue creando nuevas sinapsis, y eliminando las no deseadas, a lo largo de toda la vida, y ahora sabemos que ambos procesos desempeñan importantes funciones en el aprendizaje, la memoria y otros aspectos del funcionamiento normal del cerebro.
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EXPERIENCIA SENSORIAL Y PERÍODOS CRÍTICOS
Gran parte de nuestra comprensión de cómo la experiencia sensorial da forma a los circuitos neuronales en desarrollo proviene de otro conjunto clásico de experimentos, realizados por los fisiólogos David Hubel y Torsten Wiesel en la década de 1960. Utilizando microelectrodos para examinar las propiedades de las células de la corteza visual primaria de los gatos, tenían neuronas idénticas que respondían de forma muy selectiva a los estímulos visuales consistentes en barras oscuras que se movían en direcciones específicas.il Continuaron mostrando que estas células de orientación selectiva están dispuestas en columnas alternas que responden de forma preferente a las entradas visuales de uno u otro ojo.
Estas columnas de dominancia ocular dan a la corteza visual primaria su característico aspecto rayado, y uno de sus otros nombres, la corteza estriada. Así, las entradas de los ojos izquierdo y derecho convergen en la corteza visual primaria, y compiten por el espacio allí, y en otro conjunto de experimentos Hubel y Wiesel mostraron cómo esta competencia es impulsada por la experiencia visual. Criaron gatitos recién nacidos con un párpado suturado, y encontraron que esto tenía un efecto dramático en el desarrollo de la corteza visual. Como resultado, las columnas de dominancia ocular que normalmente recibirían entradas del ojo cerrado no se desarrollaron, mientras que las que recibían entradas del ojo abierto crecieron hasta ser mucho más grandes de lo que deberían. Sin embargo, los experimentos también mostraron que los efectos eran reversibles, pero sólo si el ojo se volvía a abrir antes de que los gatitos alcanzaran una cierta edad. Esto marcó otro avance significativo en nuestra comprensión del desarrollo neuronal. Demostró que el desarrollo adecuado de la corteza visual depende en gran medida de la estimulación visual, y estableció el período crítico -un desarrollo estrecho- a ventana de tiempo durante la cual el sistema nervioso es especialmente sensible a determinados estímulos ambientales, como un concepto clave no sólo en la neurociencia del desarrollo sino también en la psicología.
Este trabajo, por el que Hubel y Wiesel fueron posteriormente galardonados con el Premio Nobel, también condujo a un tratamiento eficaz de la ambliopía (ojo perezoso), una afección ocular que afecta a alrededor del 4% de los niños.
La ambliopía se produce debido a un desarrollo inadecuado de los ojos, lo que da lugar a una reducción de la visión, a ojos desalineados y a una mala percepción de la profundidad. Se puede tratar con un parche en el otro ojo, lo que obliga al niño a utilizar el ojo vago y, por lo tanto, impulsa el desarrollo de esa parte de la vía visual. El mejor resultado se logra si el tratamiento se inicia antes de los 8 años de edad. Investigaciones posteriores han demostrado que los demás sistemas sensoriales dependen igualmente de la experiencia para su desarrollo. También ha revelado que el momento del período crítico para la plasticidad en la corteza visual está controlado por la maduración de los intemeurones inhibidores.
Las interneuronas suelen tener fibras cortas que se restringen a regiones individuales del cerebro; sintetizan y liberan el neurotransmisor ácido gamma-aminobutírico (GABA), que inhibe la actividad neuronal. Desempeñan un papel importante en la integración de la información y la regulación de la actividad de las redes neuronales. El cerebro contiene varios tipos de intemeuronas, pero muchas de ellas todavía no han sido caracterizadas adecuadamente, y probablemente todavía no apreciamos plenamente sus diversas formas y funciones. Pero un tipo en particular, las grandes células cesta, son evidentemente responsables de la plasticidad en el sistema visual en desarrollo.
Las grandes células cesta están presentes en la corteza visual primaria, pero maduran lentamente. Cuando los ratones recién nacidos abren los ojos por primera vez, una proteína llamada Otx2 es transportada a lo largo del nervio óptico desde la retina hasta la corteza visual, donde se acumula dentro de las grandes células cesta. En esta etapa, las células de la gran cesta todavía están inmaduras, formando numerosas conexiones inhibidoras débiles con sus neuronas vecinas. Cuando la concentración de Otx2 alcanza un cierto nivel, las moléculas entran en el núcleo, donde activan un programa genético que promueve la maduración de la gran cesta A medida que este programa se desarrolla, las células de la gran cesta comienzan a refinar sus conexiones. Ciertas sinapsis se estabilizan y refuerzan mientras que otras se eliminan mediante la poda. Mientras tanto, la red de maduración de las células de la gran cesta es gradualmente envuelta por una red de proteínas de la matriz extracelular, que fortalece aún más las nuevas conexiones sinápticas. Así, la experiencia sensorial refina la estructura microscópica de la corteza visual impulsando la maduración de las grandes células de la cesta, lo que frena la plasticidad al consolidar el circuito emergente en el momento en que su representación del mundo es más precisa.
La experiencia sensorial refina la estructura microscópica de la corteza visual impulsando la maduración de las grandes células de la cesta, lo que frena la plasticidad consolidando el circuito emergente en el momento en que su representación del mundo es más precisa.
De acuerdo con esta idea, la eliminación de uno de los genes necesarios para la síntesis del GABA, o la administración de un fármaco que bloquee o reduzca la inhibición mediada por el GABA, impide la plasticidad dependiente de la experiencia de las columnas de dominancia ocular en los ratones. Del mismo modo, una infusión del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), un factor de crecimiento necesario para la supervivencia y la maduración de las grandes células de la cesta, acelera el cierre del período crítico. Por el contrario, cuando se inyecta en el cerebro del ratón una enzima que rompe la red extracelular, se reabre el período crítico; y el trasplante de la inmadurez de los intemeurones en el cerebro de los ratones recién nacidos induce un segundo período de plasticidad que se corresponde con la maduración de las células trasplantadas. Por lo tanto, los "períodos críticos" no son tan críticos como alguna vez pensamos que eran. El sorprendente descubrimiento de que el momento, el control y el cierre de los períodos críticos depende de la maduración de los circuitos inhibidores de largo alcance sugirió inmediatamente formas en las que podrían "reabrirse" más adelante en la vida. De hecho, se están llevando a cabo ensayos clínicos para probar si los medicamentos que bloquean la inhibición mediada por el GABA podrían beneficiar a los adultos con ambliopía restaurando la plasticidad en la corteza visual.
PRIMERA ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE
Comprensión de lectura.
Descargue el siguiente cuestionario en formato PDF y remita sus respuestas por correo electrónico.
Es muy importante tomar en consideración que los plazos para la entrega de actividades, aparecerán a un costado del botón que permite el acceso a esta unidad situado en el menú de este diplomado.
NEUROGÉNESIS EN ADULTOS
La fina estructura del sistema nervioso fue objeto de acalorados debates a lo largo del siglo XIX. A finales de la década de 1830, después de observar tejidos vegetales y animales bajo el microscopio, los científicos alemanes Theodor Schwann y Matthias Schleiden propusieron que las células son los bloques de construcción básicos de todos los seres vivos, una visión que llegó a llamarse la teoría de la célula. Pero los microscopios disponibles en ese momento no eran lo suficientemente potentes para resolver las sinapsis, que miden aproximadamente de 20 a 40 nanómetros (nm, o mil millonésimas de metro), por lo que no estaba claro si esto también se aplicaba al sistema nervioso. Los investigadores se dividieron en dos bandos. Algunos creían que el cerebro y la médula espinal consistían en un retículo, o una red continua de tejido, mientras que otros sostenían que el sistema nervioso, como todos los demás seres vivos, debía estar compuesto de células. Con las mejoras en la microscopía y los métodos para teñir y visualizar sus muestras, los investigadores pudieron ver el tejido nervioso con mayor detalle, y para finales del siglo XX, el largo debate se había resuelto. Gracias en gran parte al trabajo de Ramón y Cajal, los investigadores llegaron a aceptar la llamada doctrina de la neurona, que afirmaba que las células especializadas llamadas neuronas son las unidades estructurales y funcionales básicas del cerebro y la médula espinal. Cajal y otros habían estudiado cómo se desarrolla el sistema nervioso del hombre y de otros animales, y describieron las diversas etapas por las que pasan las neuronas a medida que van madurando: nacimiento por división celular, seguido de la migración de las células hijas, crecimiento y extensión de sus fibras y, finalmente, la formación precisa de conexiones sinápticas.
Debido a que nunca vieron neuronas inmaduras en los adultos, concluyeron que la estructura del cerebro se fija poco después del nacimiento. En su libro de 1913, Degeneración y Regeneración del Sistema Nervioso, Cajal declaró que las vías neuronales en el cerebro y la médula espinal de los adultos son "algo fijo, terminado e inmutable". Esta conclusión llegó a ser ampliamente aceptada, y en poco tiempo, la idea de que el cerebro adulto de los mamíferos no crea nuevas células se convirtió en un dogma central de la neurociencia moderna. La mayoría de los investigadores estuvieron de acuerdo en que, aunque se generan grandes cantidades de neuronas y células gliales durante el desarrollo, este proceso termina en el período justo después del nacimiento. Así, se deduce que nacemos con todas las células cerebrales que tendremos, y que aquellas que se pierden por lesiones o enfermedades nunca pueden ser reemplazadas.
Este dogma persistió durante la mayor parte del siglo, aunque a principios de los años sesenta comenzaron a surgir pruebas que cuestionaban la idea, tras la introducción de una técnica llamada [3H]-timidina (o autorradiografía triciada de timidina. En este proceso se inyecta a los animales con timidina radioactiva, que es absorbida por las células e incorporada al ADN recién sintetizado que se encuentra en las células del recién nacido. A continuación se disecan sus cerebros y se utilizan rayos X para detectar cualquier radiactividad.
Joseph Altman y Gopal Das, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, comenzaron a utilizar esta técnica para examinar diversas especies animales, y pronto publicaron pruebas del crecimiento de nuevas células cerebrales en el giro dentado, el bulbo olfativo y la corteza cerebral de la rata, y también en la corteza del gato. Estos hallazgos iniciales fueron independientemente replicados y confirmados por otros a principios de los 80, pero fueron recibidos con escepticismo por la comunidad científica, y en gran medida ignorados.
Pronto, más evidencia vino de los cerebros de los pájaros cantores. Los canarios machos sexualmente maduros cantan una nueva canción cada año, con el fin de dar una serenata a las parejas potenciales, y el aprendizaje y la producción de sus canciones son controlados por dos núcleos cerebrales.
Fernando Nottebohm, de la Universidad de Rockefeller, realizó una serie de experimentos que demostraron que el tamaño de estos núcleos cerebrales fluctúa con las estaciones: se descubrió que ambos eran sustancialmente más grandes en la primavera que en el otoño. Nottebohm formuló la hipótesis de que estas fluctuaciones se debían a un aumento y luego a una reducción del número de sinapsis y neuronas dentro de los núcleos productores de canciones. Cuando termina la temporada de apareamiento, grandes cantidades de neuronas mueren, causando que los núcleos se reduzcan; en la primavera, sin embargo, los núcleos se regeneran por la producción de nuevas neuronas, de modo que el pájaro puede aprender a cantar de nuevo. Nottebohm no sólo había descubierto un vínculo claro y directo entre el cerebro y el comportamiento, sino que sus resultados también "demostraron más allá de toda duda razonable que las neuronas nacen en la edad adulta y se incorporan a los circuitos existentes. Una serie de avances y descubrimientos rompieron finalmente la vieja convicción de que el cerebro de los mamíferos carece de la capacidad de regenerarse a sí mismo.
A finales de los años 80, Elizabeth Gould y sus colegas de la Universidad de Princeton comenzaron a publicar pruebas de neuronas recién nacidas en el hipocampo de ratas adultas y luego, algún tiempo después, tanto en el hipocampo como en la corteza cerebral de los monos macacos. Evolutivamente, los monos están mucho más estrechamente relacionados con los seres humanos que las ratas, por lo que esto suscitó la esperanza de que el cerebro humano también pueda seguir formando nuevas células a lo largo de la vida. El desarrollo de nuevas técnicas que utilizan anticuerpos marcados con fluorescencia que se unen a proteínas celulares específicas permitió a los investigadores distinguir entre las neuronas y las células gliales en sus muestras de tejido. En 1992, un par de investigadores de la Universidad de Calgary, en Alberta (Canadá), utilizaron esos métodos para identificar y luego aislar células madre neurales del cerebro de ratones adultos pasan a formar cualquier tipo de célula que se encuentre en el cerebro. Pero se dividen asimétricamente, así que, mientras dan lugar a nuevas neuronas y células gliales, también pueden renovarse indefinidamente.
Investigaciones posteriores revelaron que los cerebros de ratones y ratas adultos contienen dos poblaciones discretas de células madre neurales. Durante el desarrollo temprano, el sistema nervioso consiste en un tubo hueco que recorre la parte posterior del embrión, y el revestimiento interior de este tubo neural está lleno de células madre, que se dividen para producir neuronas inmaduras que migran a través del grosor del tubo. En el extremo delantero del tubo, sucesivas olas de células migratorias se empujan unas a otras para formar las capas de la corteza cerebral, una tras otra, de adentro hacia afuera. Más atrás, un menor número de células emigran hacia el exterior para formar la médula espinal. En los adultos, las células madre neurales se restringen a dos nichos discretos dentro de las paredes de los ventrículos laterales: la zona subventricular, que crea células que migran a través de la corriente migratoria rostral hacia la punta del bulbo olfativo, y el giro dentado del hipocampo, cuyas nuevas células permanecen cerca de su lugar de nacimiento y se diferencian en neuronas granulares. Las neuronas formadas en estos nichos parecen ser críticas para la función cerebral y el comportamiento. Los experimentos que utilizan la ingeniería genética para matar las células recién generadas tan pronto como son bombeadas, o en un momento específico de la vida de los animales, muestran que la adición de nuevas neuronas al bulbo olfativo es esencial para la formación de nuevas memorias olfativas, mientras que las que se añaden al hipocampo contribuyen a la memoria espacial, al reconocimiento de objetos y a la separación de patrones, proceso por el cual el cerebro distingue entre patrones similares de actividad neuronal. Ciertos factores ambientales pueden regular el proceso para afectar drásticamente la velocidad a la que se producen las nuevas neuronas. Por ejemplo, la actividad física, el medio ambiente, el enriquecimiento mental y las tareas de aprendizaje mejoran la proliferación de las células madre neurales y, en algunos casos, promueven la supervivencia de las neuronas recién nacidas, mientras que el estrés, ciertos tipos de inflamación y la privación sensorial tienen el efecto opuesto.
cerebro humano
cerebro de ratón
Nichos neurogénicos en los cerebros de roedores y humanos.
La actividad física, el enriquecimiento ambiental y las tareas de aprendizaje mejoran la proliferación de las células madre neurales y, en algunos casos, promueven la supervivencia de las neuronas recién nacidas, mientras que el estrés, ciertos tipos de inflamación y la privación senil tienen el efecto contrario.
Otro gran avance se produjo en 1998 con la publicación de un estudio histórico que proporcionó las primeras pruebas de que el cerebro humano también forma nuevas células a lo largo de la vida. El difunto Peter Eriksson y sus colegas se dieron cuenta de que los médicos estaban inyectando bromodeoxiuridina (BrdU) a los pacientes con cáncer para visualizar y controlar el crecimiento de sus tumores. La BrdU, al igual que la timidina triada, es un análogo de una de las cuatro bases químicas que se encuentran en el ADN; como tal está incorporada en el ADN recién sintetizado de las neuronas recién nacidas. Eriksson y sus colegas recibieron la misión de examinar los cerebros de cinco de estos pacientes después de su muerte. Trataron muestras de tejido del hipocampo con diferentes anticuerpos marcados con fluorescencia que se unen a la BrdU y a las proteínas expresadas por las neuronas pero no por las células gliales, y detectaron neuronas recién nacidas en las cinco muestras. En los roedores, estas dos poblaciones de células madre neurales siguen generando nuevas células a lo largo de la vida, pero el ritmo de producción de nuevas neuronas disminuye con la edad; el mismo patrón se observa también en el hipocampo humano. Sin embargo, hay importantes diferencias. La corriente migratoria rostral se encuentra en el cerebro humano, e incluso tiene una "cinta" única que se ramifica hacia la corteza frontal. Pero evidentemente esta vía está activa sólo hasta la primera infancia. La migración intensiva tiene lugar hasta los 18 meses de edad, pero disminuye en los niños mayores y está casi completamente ausente en los adultos. En este sentido, los humanos parecen ser únicos entre los mamíferos.
Por el contrario, un estudio realizado en 2013 por investigadores en Suecia muestra que el hipocampo humano produce alrededor de 700 células por día -lo que corresponde a una rotación anual de alrededor del 1,75% del número total de células en esa parte del cerebro- y que la tasa disminuye sólo ligeramente con la edad. Más recientemente, el mismo grupo publicó evidencia de neurogénesis adulta en el estrato humano, una estructura subcortical involucrada en el control motor, la recompensa y la motivación. Estas células aparentemente se originan en la zona subventricular y pasan a formar interneuronas, cuyas fibras se restringen al área inmediata y cuyas señales inhibidoras son vitales para el funcionamiento de los circuitos como lo hace en las aves y los roedores.
La extensión de la neurogénesis adulta en el hipocampo humano es comparable a la observada en los roedores, por lo que es ciertamente posible que las nuevas neuronas contribuyan a la función cerebral, pero todavía no hay pruebas directas de ello. En ratones adultos, la fluoxetina (Prozac) y los antidepresivos relacionados estimulan la neurogénesis del hipocampo. Este hallazgo llevó a algunos investigadores a especular que la neurogénesis podría desempeñar un papel fundamental en el desarrollo y el tratamiento de la depresión. Los experimentos con animales en los que se elimina por completo la neurogénesis del hipocampo adulto han producido resultados contradictorios: en algunos, los animales muestran una mayor reaparición del estrés y un aumento de las conductas similares a la depresión, pero en otros no. En los seres humanos, la depresión está efectivamente asociada con una reducción del volumen del hipocampo, pero no está nada claro que esta reducción se deba a una neurogénesis deteriorada. Es posible que el deterioro de la neurogénesis sea uno de los muchos factores que contribuyen a esta compleja enfermedad, y es más importante en algunos casos que en otros. Asimismo, el estudio que muestra que las neuronas se añaden continuamente al estriado también mostró que las células adultas se agotan en la enfermedad de Parkinson, pero aún no está claro si este proceso está relacionado con la alteración de la neurogénesis o cómo se relaciona con ella: Hay otra posible desventaja en la neurogénesis de los adultos. El cáncer surge cuando las células se dividen de forma incontrolada y se propagan por el cuerpo, por lo que es posible que las poblaciones de células madre neurales presentes en el cerebro humano adulto puedan contribuir a la formación de tumores cerebrales. También argumentan que la adición de nuevas células podría perturbar la estabilidad de los circuitos neuronales existentes y, por lo tanto, que el proceso no es más que una reliquia dejada por nuestros antepasados evolutivos.
Los escépticos sostienen que el número de células producidas por el cerebro humano adulto es demasiado pequeño para tener importancia funcional.
El escéptico más franco es el neurobiólogo del desarrollo Pasko Rakic, de la Universidad de Yale. A principios de los años 70 Rakic realizó una serie de estudios muy influyentes que revelaron cómo las neuronas inmaduras migran a través del cerebro de los monos en desarrollo, y desde entonces ha trabajado en monos. Ha fallado repetidamente en encontrar cualquier evidencia de neurogénesis adulta en la corteza cerebral del mono, y es crítico de los métodos de etiquetado usados para identificar las células recién nacidas.
De su trabajo en los monos, Rakic estima que las neuronas añadidas al cerebro humano adulto probablemente tardarían alrededor de un año en alcanzar la madurez completa. Esto, dice, hace que sea muy poco probable que el Prozac y las drogas relacionadas funcionen estimulando la neurogénesis, porque sólo tardan seis semanas en ejercer sus efectos. Sin embargo, hay algunas pruebas de que las neuronas recién nacidas en el cerebro adulto han mejorado la plasticidad sináptica, por lo que algunos sostienen que un período de inmadurez de un año podría hacer que las neuronas recién nacidas sean más capaces de contribuir a la función cerebral.
Pasko Rakic
A pesar de la controversia, el descubrimiento de la neurogénesis y de las células madre neurales en el cerebro humano adulto suscitó rápidamente la esperanza de que se desarrollaran terapias basadas en células madre para las lesiones y enfermedades neurológicas, y también sugirió dos posibles enfoques para el desarrollo de esas terapias. Sabemos que las células madre neurales pueden dividirse en respuesta a una lesión cerebral, lo que sugiere que este mecanismo de autorreparación podría verse obstaculizado algún día, al inducir a las células madre endógenas del cerebro a desplegar nuevas células que se desplazarían al lugar de la lesión y sustituirían a las que han sido dañadas o muertas. Una estrategia alternativa es trasplantar células madre al cerebro y dirigirlas al lugar de la lesión.
Nuestra comprensión de la biología de las células madre neurales está aún lejos de ser completa, y los investigadores que intentan desarrollar tales terapias se enfrentan a grandes retos técnicos. ¿Qué tipos de células madre son más apropiadas para el trasplante, y podrían los diferentes tipos ser más adecuados para una determinada enfermedad o tipo de lesión? ¿Cuál es el número óptimo de células para ser transplantadas? ¿Y cómo podemos estar seguros de que las células trasplantadas sobrevivirán el tiempo suficiente para integrarse y ayudar a la recuperación de la función neurológica?. Debido a estas dificultades, las terapias basadas en células madre para enfermedades y lesiones neurológicas están aún lejos de alcanzar su pleno potencial, y de hecho todos los ensayos clínicos realizados hasta ahora han fracasado.
Independientemente de ello, la conciencia pública de estos temas ha llevado a un aumento dramático del turismo de células madre a países cuyas regulaciones laxas permiten a vendedores inescrupulosos vender terapias no aprobadas -y posiblemente peligrosas- a pacientes desesperados.
EL ENTRENAMIENTO CEREBRAL
El término "entrenamiento cerebral" se refiere generalmente a los juegos de computadora diseñados para mejorar las funciones mentales como la atención y la memoria de trabajo. Estos juegos tienen por objeto mejorar esas funciones -y la salud general del cerebro- ejercitando el órgano, de la misma manera que la actividad física ayuda a mantener la salud del cuerpo. Hoy en día, el entrenamiento cerebral es una industria multimillonaria, y hay docenas de compañías que venden juegos de computadora, aparatos y aplicaciones para teléfonos inteligentes. Muchos de estos productos están dirigidos a los ancianos y a las personas mayores, y se pretende mejorar la salud general del cerebro e incluso reducir el riesgo de desarrollar la enfermedad de Alzheimer y otras formas de demencia. Sin embargo, en la actualidad hay muy pocas pruebas de que los productos para el entrenamiento cerebral produzcan lo que los psicólogos denominan efectos de transferencia: producen mejoras significativas en las capacidades mentales necesarias para rendir bien en el juego, como cabría esperar, pero todavía no está claro si también mejoran otras funciones cognitivas no relacionadas.
En la actualidad, hay muy pocas pruebas de que los productos de entrenamiento cerebral conduzcan a lo que los psicólogos llaman efectos de transferencia.
En octubre de 2014, un gran grupo de eminentes investigadores emitió una declaración conjunta sobre el tema. "Nos oponemos a la afirmación de que los juegos cerebrales ofrecen a los consumidores una vía científicamente fundamentada para reducir o revertir el declive cognitivo cuando hasta la fecha no hay pruebas científicas convincentes de que lo hagan", escribieron. "La promesa de una vara mágica resta importancia a la mejor evidencia hasta la fecha, que es que la salud cognitiva en la vejez refleja los efectos a largo plazo de los estilos de vida saludables y comprometidos. A nuestro juicio, las afirmaciones exageradas y engañosas explotan la ansiedad de los adultos mayores sobre el inminente declive cognitivo.
Animamos a que se continúe con la investigación y la validación en este campo. Aproximadamente un año después, la Comisión Federal de Comercio de los Estados Unidos ordenó a la empresa Lumosity, con sede en San Francisco, que pagara un acuerdo de dos millones de dólares por engañar a los clientes con afirmaciones infundadas sobre los beneficios de sus productos. Como hemos visto, sin embargo, el cerebro está continuamente siendo moldeado por nuestros experiados, y ahora hay muchas pruebas de que otros tipos de entrenamiento cerebral tienen efectos significativos en el órgano. La investigación en animales ha proporcionado información importante sobre los mecanismos celulares de la plasticidad inducida por el entrenamiento. Por ejemplo, el entrenamiento de ratas para hacer juicios de tiempo finos expande la sensibilidad del ancho de banda de las neuronas auditivas, mientras que el entrenamiento de monos búho en una tarea de discriminación del tacto reduce los campos receptivos de las neuronas en la corteza somatosensorial primaria, la parte del cerebro que procesa la información del tacto. Los cambios duraderos son mucho más difíciles de estudiar en los animales y, hasta hace relativamente poco, también en los humanos. Sin embargo, en los últimos 20 años aproximadamente, el uso de las tecnologías de neuroimagen se ha generalizado, y el número de estudios que utilizan estos métodos para investigar las consecuencias neuronales del entrenamiento a largo plazo es cada vez mayor. Con estos métodos a su disposición, los investigadores han demostrado que el aprendizaje de un segundo idioma está asociado con varios cambios anatómicos en el cerebro. De manera similar, algunas personas pasan años o décadas adquiriendo otros tipos de conocimientos, habilidades o pericia. Ese entrenamiento riguroso y a largo plazo también produce cambios duraderos tanto en la estructura como en el funcionamiento del cerebro. Los atletas profesionales, los músicos y los bailarines son entre otros, un fascinante laboratorio natural para el estudio de la neuroplasticidad dependiente de la experiencia.
Por cuanto al uso de videojuegos, se ha especulado sobre sus beneficios en niños y adultos.
Diego Redolar y sus colaboradores realizaron una investigación en la que deja entrever algunas respuestas sobre e particular; por ello, te invitamos a apreciar el siguiente video: