Juegos digitales y Neurología

Colom, R., Quiroga, Mª Á., Solana, A. B., Burgaleta, M., Román, F. J., Privado, J., Escorial, S., Álvarez-Linera, J., Alfayate, E., García, F., Lepage, C., Martínez, K., Hernández-Tamames, J. A, & Karama, S. (2012). Structural changes after videogame practice related to a brain network associated with intelligence. INTELLIGENCE, 40, 479-489.

Glosamos en este blog la excelente investigación que un grupo de psicólogos y neurocientíficos de nuestro país vienen realizando en los últimos años acerca de la influencia de los juegos digitales en la anatomía cerebral. Colom et al. (2012) han demostrado que el entrenamiento cognitivo con videojuegos genera cambios significativos en la materia gris de los sujetos. Veinte muchachas fueron seleccionadas para jugar el videojuego de Nintendo, “Profesor Layton y la caja de Pandora”. Este videojuego contiene puzzles y acertijos. Las participantes en el experimento jugaron cuatro horas a la semana durante cuatro semanas y su cerebro fue escaneado en la primera semana. En la sexta semana fueron de nuevo sometidas a escáner y completaron un conjunto de test de habilidades cognitivas. Previamente se las había instruido para que no alteraran su vida cotidiana y para que evitaran jugar a cualquier otro tipo de juego.

El análisis morfométrico reveló cambios, tanto positivos como negativos, en la densidad de la materia gris. Mientras que los incrementos se concentraron en el hemisferio derecho, las disminuciones se localizaron en el hemisferio izquierdo. De manera interesante, se observó un aumento en la densidad de la corteza verificado por Haier et al. (2009) en las zonas 6 y 22/38 de Brodmann. También fueron encontrados cambios significativos en las áreas 9 y 10 de Brodmann, zonas implicadas en procesos como la atención, la memoria operativa y las funciones ejecutivas. El análisis mediante tractografía, permitió detectar algunos cambios en la sustancia blanca del cerebro de las participantes en el grupo experimental. La difusividad axial se incrementó en el cíngulo de la parte derecha del hipocampo, lo que podría suponer una alteración del diámetro de los axones. La difusividad radial aumentó en el fascículo longitudinal inferior izquierdo, lo cual podría interpretarse en términos de pérdida de mielina. Todo esto puede apreciarse mejor en la siguiente imagen del estudio:

No obstante, y como los propios autores señalan, estos resultados deben ser interpretados de forma precavida, quedando a la espera de futura investigación. Más interesante es la ausencia de una correlación entre la práctica con videojuegos y el aumento significativo de la inteligencia medida. Tanto el grupo experimental como el control se sometieron a un pre-test y a un post-test que midió un índice de inteligencia general, y los resultados mostraron una ganancia promedio de 3,4 y de 3,3 puntos de cociente intelectual en el grupo control y en el experimental, respectivamente. La conclusión es que resolver problemas de complejidad creciente usando un videojuego o juego digital, no produce un impacto sobre las puntuaciones obtenidas en un test de inteligencia, incluso aunque se detecten cambios volumétricos en el cerebro relacionados con la práctica del juego. Esto puede interpretarse de distintas maneras. Quizá los cambios cerebrales se hayan detectado en algunas pero no en todas las zonas relevantes para el desarrollo de la inteligencia. También el reducido tamaño de la muestra ha podido suponer un importante contratiempo. Pero también hay que reconocer que las señales biológicas no siempre van acompañadas de cambios conductuales.

Merecido Premio Nobel de Medicina para John O'Keefe, May-Britt Moser y Edvard Moser

(Image from Vegard H. Brun, Mona K. Otnæss, Sturla Molden,

Hill-Aina Steffenach, Menno P. Witter, May-Britt Moser,

Edvard I. Moser, Place cells and place recognition maintained by direct entorhinal-hippocampal circuitry, p. 2246-
http://www.nbb.cornell.edu/neurobio/bionb330/FINAL/hippo2.pdf-)

Hace ya seis años que en este blog glosamos la genial investigación emprendida por John O´Keefe sobre la existencia de células específicas de orientación espacial en el hipocampo y en otras zonas cerebrales. John O´Keefe, junto a los investigadores noruegos May-Britt Moser y Edvard Moser, ha sido premiado con el Nobel de Medicina de 2014. ¿Cómo han complementado estos dos autores las excepcionales indagaciones del neurocientífico americano irlandés? El matrimonio Moser ha descubierto la presencia de células rejilla ("grid cells") en la corteza entorrinal de ratas. Estas células son parte de un sistema de coordinación espacial independiente del entorno. En concreto, en la segunda capa de la corteza existen células rejilla que se activan cuando la posición del animal coincide con los vértices de una rejilla triangular periódica que cubre la completa superficie del entorno. El hecho de que la estructura regular de la rejilla y las relaciones del entorno permanezcan invariantes, implica la existencia de un espacio métrico de integración espacial universal en el cerebro. Los premiados comparan la estructura geométrica de las rejillas en diferentes capas buscando correlaciones en la rotación espacial de neuronas. Más allá de la capa segunda, las células rejilla fueron colocalizadas con células orientadas por los movimientos de la cabeza del animal. Las células rejilla y las células que se orientan por los movimientos de la cabeza se solapan lo que implica que, a diferencia de las conexiones del hipocampo, todas las capas operan juntas como una unidad integrada. Por lo tanto, el mapa espacial en la corteza entorrinal comprende células rejilla y células que responden a los movimientos de la cabeza, formando una población continua. Conforme el animal se mueve, el vector de posición (como si fuera un GPS) de la red de células rejilla, va actualizando la integración de la posición, dirección y velocidad del mapa espacial. Las llamadas células conjuntivas parecen desempeñar un papel clave en este proceso. Estas células se localizan en las capas tercera y quinta de dicha corteza. A los pioneros hallazgos en los años 70 de O´Keefe sobre células de localización espacial en el hipocampo se unen estos otros descubrimientos que, sin duda, han contribuido a nuestra comprensión del mecanismo neurológico de nuestro sistema de orientación y a la justa concesión de un Premio Nobel.

Chips neurosinápticos: Dharmendra Modha y el IBM Cognitive Computing team

(http://www.modha.org/)

A comienzos del mes de agosto saltó la noticia de que el equipo de IBM, liderado por el ingeniero hindú Dharmendra Modha, había introducido un chip electrónico-llamado SyNAPSE-, capaz de simular la interacción entre un millón de neuronas con sus correspondientes 256 millones de sinapsis. Un chip que contiene la impresionante cifra de 5,4 billones de transistores, apenas consumiendo 70mW. Esta proeza nos parece que hace palidecer incluso los mejores logros salidos en las últimas décadas de la empresa situada en Armonk, como el famoso supercomputador IBM Watson. Se ha pasado en tres años de programar en un chip poco más de 262.000 sinapsis a los más de 250 millones actuales. Y todo ello con un gasto de energía realmente mínimo si lo comparamos con lo que estamos acostumbrados a ver en supercomputadores. Precisamente, uno de los grandes retos de la última década está siendo el imitar el escaso consumo energético del cerebro. ¿Cómo es posible que un órgano tan intrincado y con tantas funciones consuma apenas 100 vatios? Me refiero, obviamente, a su consumo general comparado con el de los dispositivos mecánicos humanos y no a su gasto relativo al total de energía consumida por el cuerpo humano. Pues bien, para dentro de unos años se espera simular un trillón de sinapsis con un gasto energético de apenas 4kW. ¿Y dónde parece estar el secreto de estos reducidos consumos? Los investigadores de IBM, liderados por Modha, hablan de su intención de crear sistemas inteligentes holísticos en los que se combinen funciones lógicas (propias del hemisferio izquierdo) con funciones perceptivas de reconocimiento de patrones (típicas del hemisferio derecho). En definitiva, sistemas que se acerquen cada vez más al funcionamiento real del cerebro humano. Todo esto está muy bien pero, a día de hoy, no deja de ser algo puramente propagandístico. En realidad, de lo que se trata es de superar la vieja arquitectura de von Neumann. Dicha arquitectura genera chips que trabajan constantemente y que se sobrecalientan limitando el rendimiento del sistema. En cambio, en una arquitectura dirigida por eventos hay partes del sistema que pueden permitirse realizar paradas y así reducir el consumo de energía. Una red dirigida hacia eventos conecta los distintos núcleos del sistema y supera el típico "cuello de botella" característico de la arquitectura de von Neumann. Cuando hablamos de orientación hacia eventos nos referimos a la localización y seguimiento de acontecimientos relevantes para el sistema. Por ejemplo, para una función de visión del sistema, quizá nos interese entrenarlo en la localización de autobuses, automóviles y bicicletas que aparezcan en una escena captada por una cámara de vídeo o por los propios sensores de dicho sistema. Se han mencionado en muchas ocasiones los límites impuestos a la nanotecnología por los propios materiales existentes o por el excesivo consumo de energía pero si en los próximos años se sigue en esta progresión sostenida de miniaturización y de aprovechamiento energético, todavía vamos a ser testigos de muchas sorpresas.

Leslie Valiant y la Neurociencia Computacional

Leslie Valiant (1949-) es uno de los más grandes especialistas mundiales en aprendizaje automático y en complejidad computacional. Recipiendario del premio Turing en 2010, no solo está interesado en el estudio del problema de la inclusión estricta entre las clases de complejidad P y NP, sino que también desarrolla interesantes modelos computacionales del cerebro. Sin duda, un testigo muy reciente es su libro divulgativo (http://people.seas.harvard.edu/~valiant/PAC-%20Summary.pdf), que fue publicado por Basic Books en 2012, y en el que explica su concepto de "ecoalgoritmo". En consonancia con los intereses del autor de este blog, me voy a centrar en introducir en este artículo sus ideas sobre la función del hipocampo como distribuidor de neuronas en la corteza cerebral. Como es bien sabido, el hipocampo ejerce un papel fundamental en los procesos memorísticos, pero no fue hasta los artículos de Wickelgren (1979) y de Teyler y DiScenna (1986) que se empezó a atisbar su capacidad de conjuntar items y de actuar como un índice para recuperar la información. Siguiendo el modelo "neuroidal" de Valiant, si se accede a un item durante el procesamiento neuronal, al menos alguna fracción del conjunto de neuronas que acceden al item, debe activarse. En caso contrario, debe activarse una fracción menor de dicho conjunto. Entonces, la función principal del hipocampo será la de identificar el conjunto de neuronas de la corteza para nuevos items que sean conjunciones de items almacenados previamente. Pero, eso sí, el hipocampo habrá de mantener la estabilidad del número de neuronas distribuidas. Si cada item es distribuido de acuerdo con la sintaxis o el sonido de una palabra que lo describa, distribuir tales palabras requeriría un procesamiento menos profundo. En definitiva, los nombres equivaldrían a códigos computados internamente en el hipocampo. Dada una red bipartita con m inputs y n=m outputs, se cree que las neuronas del hipocampo poseen un bajo nivel de actividad, por lo que han de converger a una densidad baja y en pocas capas. Considerando que el flujo de información dentro del hipocampo es muy unidireccional y formando un bucle desde la corteza entorrinal, Valiant realiza una simulación en la que interviene un millón de neuronas conectadas al azar y con unos patrones de activación no correlacionados. De esta manera, logra un modelo computacional del hipocampo que cumple muchas de sus características fisiológicas y funcionales conocidas a día de hoy.

Computational Neuroscience and Cognitive Modelling: sobre el libro de Britt Anderson

Editado por SAGE Publications, Britt Anderson (Universidad de Waterloo) ha publicado en 2014 una valiosa introducción a la Neurociencia Computacional y sus técnicas de modelización. El libro consta de 23 capítulos compendiados en poco más de 200 páginas. Los temas abarcan desde modelos neuronales de potenciales de acción hasta sistemas multiagente, pasando por redes artificiales. Empezar con el modelo Hodgkin-Huxley de activación neuronal es quizá muy socorrido y poco didáctico pero confronta al estudiante con el uso de ecuaciones diferenciales. Pero, ¿qué tienen que ver las ecuaciones diferenciales con la programación informática? Bien, el modelo Hodgkin-Huxley consta de cuatro ecuaciones diferenciales no lineales y sirvió de inspiración parcial para el trabajo pionero de McCulloch-Pitts en su diseño de una neurona artificial. Si estás interesado en trabajar en redes neuronales quizá-como sugiere el propio autor-quieras aprender algo sobre MATLAB. Si entiendes algo de su código, estás en condiciones de empezar a programar. Programar no es simplemente usar un código de un lenguaje de programación conocido, pongamos C+ o Python, sino que es compilar e interpretar cualquier fenómeno, indicando claramente los pasos realizados mediante una sintaxis no ambigua; es decir, todos podemos ser programadores utilizando pseudocódigo y sin necesidad de aprender algún tipo de lenguaje especial. Esta es una muy buena manera de animar a entrar al mundo de la simulación computacional a aquellos estudiantes inicialmente intimidados por los lenguajes de programación al uso. Pero el libro de Anderson va mucho más allá e incluso sondea posibilidades muy actuales de aplicar herramientas de simulación, como pueden ser las propiciadas por la arquitectura cognitiva ACT-R o las ofrecidas por la programación multiagente, típica de NetLogo. Los ejemplos de fenómenos psicofísicos modelizados son numerosos e interesantes y van desde un ejercicio de programación del modelo de Hodgkin-Huxley (capítulo sexto) hasta una modelización computacional del movimiento ocular, mediante el NetLogo de Resnick. En definitiva, para sus modestas pretensiones y para estar dirigido a alumnos universitarios, recomendamos este pequeño libro como una herramienta muy interesante para acceder al uso de las simulaciones computacionales en Neurociencia.

Visita al Hospital Nacional de Parapléjicos en Toledo (Semana Mundial del Cerebro 2014)

Andrea González Guadalix observa a través 

del microscopio
(Fotografía tomada por la profesora Irene García Vera).

El día 13 de marzo de 2014, un grupo de alumnos de Psicología del IES "Francisco Giner de los Ríos" (Alcobendas) acudió al Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo. Organizada la actividad por la Doctora Ksenija Jovanovic, formó parte del programa de la Semana Mundial del Cerebro que dicha Institución viene celebrando en los últimos años. El Hospital Nacional de Parapléjicos (http://www.infomedula.org/index.php?), cuyo director gerente es Francisco Marí, es un referente mundial en el tratamiento e investigación de las lesiones de médula y precisamente en estas fechas cumple los 40 años de existencia. La Fundación DANA (http://www.dana.org/) patrocina esta actividad. Un excelente grupo de profesionales de la Medicina, comandados por la Doctora Jovanovic, tuvo a bien exponer a los alumnos los secretos de su labor investigadora, desde el nivel celular y regenerativo más básico hasta el nivel de las estrategias de recuperación en fisioterapia. En la página 14 del número de abril de la revista oficial del Hospital, "Infomédula", el lector encontrará más información acerca del evento. Para ello bastará con acceder al siguiente enlace: (http://issuu.com/infomedula/docs/infom__dula_29# ).

Participaron los siguientes alumnos: Gemma Bernardo, Isabel Cerro, Ilaria Comanda, Raquel Domínguez, Silvia García, Víctor Gómez, Andrea González, Marina Guillén, Nelson Licot, Katherin Lozano, Noelia Martínez, Eva Morales, Rosario Natividad, Sandra Peces, Joshelyn Quishpe, Beltrán Robledo, Jair Rondón, Adrián San José, Diego Sobrino y Elvira Vegas. Les acompañaron los profesores Irene García Vera y Carlos Pelta.

Agradecemos al equipo médico del Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo su generoso recibimiento y su excelente disposición divulgativa. Agradecemos también a los siguientes profesores del IES "Francisco Giner de los Ríos" (Alcobendas) su apoyo para poder haber participado en esta actividad: Esther Carretero (Departamento de Actividades Extraescolares), María José Cantalapiedra (Jefatura de Estudios), Javier Alija (Jefatura de Estudios) y Ángeles Mercado (Dirección).

Trazado neuronal mediante virus en la médula espinal: Jovanovic, Pastor y O´Donovan

Desde que G. Ugolini y otros autores de la década de los 90 usaron virus del hérpex y de la rabia como marcadores neuronales, mucho se ha avanzado en esta técnica. No obstante, nunca se había aplicado a la exploración de los circuitos de la médula espinal, algo clave para poder entender la cuestión de la regeneración neuronal en médulas afectadas por traumatismos. En este artículo del blog vamos a intentar explicar la labor pionera en este terreno de los doctores Ksenija Jovanovic, Ángel Pastor y Michael O´Donovan, en un importante artículo publicado hace 4 años: (Jovanovic K, Pastor AM, O’Donovan MJ (2010) The Use of PRV-Bartha to Define Premotor Inputs to Lumbar Motoneurons in the Neonatal Spinal Cord of the Mouse. PLoS ONE 5(7): e11743. doi:10.1371/journal.pone.0011743).

¿Cómo es posible inducir el crecimiento axonal y la reconexión entre neuronas después de una lesión medular? Los trasplantes de glía envolvente parecieron una línea de investigación promisoria para reparar contusiones medulares en ratas. Pero hoy en día se presiente que la ingeniería de biomateriales puede desempeñar un papel clave. En concreto, la conductividad eléctrica de materiales, como el polipirrol y el rutilo, podría evaluar el efecto de la aplicación de campos eléctricos sobre el crecimiento neuronal. No obstante, para poder aplicar estas técnicas con éxito, es imprescindible poder realizar una cartografía de los circuitos neuronales implicados que sea lo más detallada y exhaustiva posible. Los autores analizaron los circuitos que controlan las motoneuronas de las patas traseras en ratones, usando recombinantes fluorescentes del virus Bartha. A través de la propagación entre sinapsis fue posible definir la temporalización de la expansión del virus en la médula espinal de ratones recién nacidos. El número de motoneuronas etiquetadas mediante el virus se mantuvo constante a las 32 horas de haberse iniciado el experimento, no cambiando significativamente con posterioridad. A las 72 horas las motoneuronas mantenían su integridad estructural. El uso de marcadores virales puede ser muy provechoso no solo para vislumbrar la organización de redes neuronales lumbares intactas sino también para evaluar los cambios sufridos por las redes después de un accidente en la médula espinal.

José María Delgado García

Un gran neurocientífico español, el profesor José María Delgado García, acaba de recibir el premio "Antonio Gallego" de la Sociedad Española de Ciencias Fisiológicas. Merecido premio para este catedrático de Fisiología de la Universidad Pablo de Olavide (Sevilla), puesto que es una de las mayores eminencias de la Neurociencia mundial. Desde hace ya dos décadas sus trabajos sobre aprendizaje y memoria son ejemplo vivo del uso de una metodología simple pero impecable. Tuve la suerte de acudir a una charla suya en la Universidad de Alicante hace casi una década y sentir-como todo el auditorio-la presencia de un auténtico sabio de la disciplina. Muy recientemente, su equipo y el del profesor Hasan han demostrado la imposibilidad de adquirir un aprendizaje asociativo simple en ratones (cierre palpebral al oír un débil sonido antes de soplar aire en la cara) cuando se bloquea la producción de receptores de NMDA en la corteza motora. Pero aún más, dicho bloqueó impidió que los ratones realizaran aprendizajes más complejos como, por ejemplo, la capacidad para apretar una palanca para conseguir comida. Estos resultados tienen como precedente el sensacional resultado que junto a Agnés Gruart y María Dolores Muñoz, le valió la nominación por la revista Science como uno de los diez grandes hallazgos del año 2007. Insertaron electrodos en áreas del hipocampo a ratones, registrando así la actividad de varias miles de conexiones sinápticas. A medida que los ratones aprendían la tarea asociativa simple anteriormente reseñada, registraron los cambios de intensidad entre las sinapsis de las áreas del hipocampo según iban aprendiendo la tarea. Cuando pasaba un tiempo sin que fuera practicada, las sinapsis perdían actividad. Además no había manera de potenciar la activación sináptica de manera forzada o artificial, ya que los receptores se saturaban, desempeñando el NMDA una función clave al respecto.

Sirva esta breve evocación para resaltar el orgullo que debemos sentir por contar en nuestro país-a pesar de las políticas cicateras respecto al desarrollo de la investigación-a investigadores de esta categoría que hacen que nuestra Neurociencia sea valorada a nivel mundial.