El cerebro de los astronautas

Los astronautas se enfrentan a varios factores estresantes para su salud. Pueden ser físicos (por ejemplo, la microgravedad o la radiación ionizante) y psicológicos (por ejemplo, el aislamiento  y el confinamiento). Aunque los seres humanos son muy capaces de adaptarse a nuevas circunstancias, no es infrecuente que algunos cambios sean perjudiciales. Estos cambios han sido ampliamente estudiados (para una revisión, véase Buckey 2006) pero hasta muy recientemente no se habían realizado evaluaciones basadas en neuroimagen de la función neuronal de los astronautas, tras haber permanecido durante mucho tiempo en el espacio. Koppelmans et al. (2013) están inmersos en un estudio a largo plazo del impacto de los vuelos espaciales de larga duración en la función cerebral de los cosmonautas. En este estudio, basado, obviamente, en casos particulares, se analizó el patrón de conectividad en seis redes cerebrales: la red por defecto, la zona frontoparietal, la prominencia, la corteza auditiva, la región sensorio-motora y la red visual. Después del viaje se detectó una reducción de la conectividad en la ínsula derecha y en la corteza cingulada posterior ventral. detectó, aparte de la ataxia vestibular típica detectada el día del aterrizaje, cierto deterioro de la coordinación motora pero desaparición del vértigo pocos días después. En reposo, se observó una disminución de la conectividad entre el cerebelo izquierdo y el derecho. Se podría tratar de una respuesta adaptativa compensatoria al ambiente de microgravedad y a la fase posterior al aterrizaje. Es sabido que el cerebelo está asociado a la iniciación voluntaria del movimiento, la propiocepción y la coordinación motora. Déficits en este área conllevan falta de precisión en los movimientos dirigidos, confirmándose estudios anteriores sobre las consecuencias fisiológicas de los vuelos especiales en el comportamiento motor (Kozlovskaya et al., 1981) y la inestabilidad postural (Paloski et al., 1992).

La disminución de la conectividad en la ínsula derecha puede afectar al procesamiento del auto-movimiento, la orientación espacial y la memoria.

Los problemas reversibles después de los vuelos espaciales a menudo se han atribuido al sistema vestibular y al efecto de la ausencia de gravedad. La valoración actual, sin embargo, sugiere que estos problemas se originan por alteraciones corticales en lugar de ser meramente atribuibles a los órganos neurosensoriales periféricos y que también surgen por la readaptación a la gravedad de la Tierra. En futuras misiones espaciales muy prolongadas como, por ejemplo, las misiones a Marte, habrá que tener muy en cuenta los mecanismos de compensación neuronal que se producen en el sistema motor vestibular.

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.

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.

Cerebro y Ordenador, de Antonio Orbe

(Antonio Orbe)

Querido lector de este blog, si buscas un libro para introducirte en la Neurociencia, con precisión, honestidad y sin pedanterías, este es tu libro. Te animo a que lo leas. Lo encontrarás en TAGUS, en edición electrónica (http://www.tagusbooks.com/ebook-cerebro-y-ordenador-ebook/9788415623397/2198392), y merece la pena. Cómpralo. Es un libro asumidamente sencillo y divulgativo pero, a poco que lo vayas leyendo entre líneas, te darás cuenta de que conjuga el bagaje de un informático con la sabiduría de un verdadero neurocientífico.

De Antonio Orbe me interesa especialmente su inteligente crítica a aquellos excesos que, en pocas décadas, parecen querer ver ya un cerebro de silicio o virtual que simule el cerebro biológico con gran detalle. Vayamos al parágrafo titulado "¿Cuándo se simulará el cerebro?" y siguientes.  ¿Podrá simularse el cerebro antes de 2050? D. S. Modha-de IBM- considera que en 2019 dispondremos de una máquina con una potencia equivalente a la del córtex del cerebro humano, es decir, de una capacidad de cálculo de un exaflop. Pero, obviamente, si todavía no sabemos cómo funciona el cerebro, ¿qué haríamos con ese supuesto superordenador, tal y como se pregunta Orbe? El caso es que no solo se va a necesitar potencia de cálculo sino también el desarrollo de nuevas teorías en todos los campos que incidan en el conocimiento del cerebro, desde la Genética hasta la propia Filosofía. Algo que, como es natural, es bastante inconcebible que pueda darse en tan solo 10 lustros, por ejemplo. Magnos proyectos, como el recientemente aprobado "Human Brain"-proyecto estrella de la Unión Europea"-son, por supuesto, muy dignos de interés, pero el caso es que todavía las simulaciones neuronales de las que disponemos, son de una extremada simplicidad. No hablemos, pues, de la descomunal complejidad del conectoma. El propio Orbe menciona cómo aún no disponemos de una simulación completa de las 6.418 sinapsis del diminuto C. Elegans. Sin duda, el reto es fascinante y no cabe duda que la conjunción de los esfuerzos de miles de neurocientíficos absolutamente punteros nos va a reportar muchos beneficios en los próximos años, a todos los niveles: desde el desarrollo de potentes algoritmos informáticos hasta el refinamiento increíble de técnicas de visualización y de laboratorio. Pero aún debemos tener paciencia puesto que es tarea para muchas generaciones.

Como ha sido tarea de Orbe el divulgar de una manera rigurosa pero amigable los secretos del porvenir de la Neurociencia. Enhorabuena, Antonio: has logrado el objetivo. Larga vida a tu libro.

Terremotos y actividad cerebral

¿Por qué hasta hace muy poco ha sido ignorada la actividad arrítmica del cerebro? Se consideraba que era una actividad evidente por sí misma pero carente de interés. En cierto sentido, puro ruido. Pero en los últimos años y a raíz sobre todo del artículo de He y colaboradores, arriba citado, se ha encontrado en esta actividad una estructura temporal compleja en forma de dos bandas de frecuencia distintas, siendo la amplitud de una banda dependiente de la fase de la otra (Kayser, Ermentrout, 2010). En concreto, la amplitud del componente más rápido depende de la fase del más lento. Este tipo de acoplamiento se encuentra también durante la ejecución de tareas. El hecho de que los autores encontrasen que se daba este fenómeno, incluso sin oscilaciones prominentes, da a entender que el mismo es relevante hasta para procesos no cerebrales, tales como terremotos, avalanchas o índices bursátiles. Y así lo comprobaron a través del manejo de amplias bases de datos y de simulaciones. Si tal tipo de acoplamiento será dependiente de regularidades estadísticas de un orden superior, es algo que queda por elucidar. El análisis mediante potenciales de campo implica muchos procesos a diferente escala temporal (desde potenciales postsinápticos hasta trenes de ondas, por ejemplo) pero, en cualquier caso, el estudio de los aspectos arrítmicos de la actividad neuronal masiva puede revelarnos muchas claves sobre las patologías cerebrales.

Mini cerebros

En el mes de agosto apareció en la prestigiosa revista, "Nature", un artículo en el que Madeline A. Lancaster y su equipo demostraban la creación de un mini cerebro a partir de células madre de la piel. La noticia es, en sí misma, impactante, pero en esta breve referencia nos gustaría intentar situarla en sus verdaderos límites. Ya antes se habían conseguido tejidos asemejando a los de la corteza cerebral y asemejando a una retina humana (Eiraku et al.) pero, sin duda, aquí la clave para conseguir esta estructura parece no haber estado tanto en el gel utilizado para aposentar la misma, como en el sistema para aportar nutrientes y oxígeno, tal y como se puede apreciar en la foto de arriba de Renner. La estructura creció unos 4 milímetros durante 10 meses y, como señala Knoblich, este pequeño tamaño alcanzado pudo deberse a la ausencia de capilares sanguíneos en su interior. Esto nos lleva a plantearnos si en un futuro cercano existirá la posibilidad de mezclar células madre de tejidos diferentes que den lugar a una mayor diferenciación. Se ha comprobado cómo un tejido de la piel ha sido capaz de generar esta microestructura pero necesitamos vasos sanguíneos que la rieguen, que permitan su viabilidad y que, en definitiva, la diferencien. ¿Cómo lograr esto?

Mucho más interesante parece la segunda parte del experimento: el uso de células madre procedentes de la piel de un sujeto con microcefalia. El "cerebro" en cultivo de esta persona creció menos que el "cerebro" generado a partir del tejido de la piel de la persona sin ese problema. Y aquí sí que hay un verdadero filón porque la cuestión no es tanto el modelar tejidos que se autoorganizan a partir de células madre, como el usar tejidos de sujetos con desórdenes neurológicos y seguir el ensamblaje de los mismos, como contrapuestos a la configuración adquirida por los tejidos cultivados de individuos sanos. Así puede seguirse el desarrollo temprano y diferenciado de las células madre neuronales. De hecho, en el experimento relatado se suprimieron las células progenitoras del crecimiento cerebral en el tejido procedente del sujeto con microcefalia.

Más allá de si a medio o largo plazo podemos "fabricar" estructuras anatómicas complejas y diferenciadas como el cerebro u órganos completos como el hígado o el riñón para realizar transplantes, el reto parece estar en la continua necesidad de alimentación de estas estructuras y en lo que también señala el propio Knoblich: en que las señales de crecimiento de los órganos parecen enviarse desde otras partes del cuerpo y, obviamente, no solo desde el interior de los tejidos que se van autoorganizando. En cualquier caso y a pesar de que, como subraya Kriegstein, estamos en los primeros estadios de la investigación, el reto parece fascinante si el proceso de diferenciación y de mantenimiento de las estructuras generadas, se puede controlar de una manera más precisa.

El proyecto "Cerebro Humano"

El proyecto "Cerebro Humano" es uno de los dos grandes proyectos "FET Flagships" que han resultado triunfantes en 2013 y que, durante una década, van a marcar el ritmo de investigación en Europa (humanbrainproject). Seis plataformas dedicadas a la Neuroinformática y a la simulación cerebral lo integran. Su gran mentor es Henry Markram, dando así continuidad al precedente proyecto "Blue Brain" que, en España, ha recibido la denominación de "Cajal Blue Brain". Precisamente, de estos dos previos esfuerzos se alimentará la plataforma de Simulación cerebral. Dicha plataforma permitirá reconstruir y simular biológicamente modelos del cerebro que muestren estructuras y conductas emergentes. Desde modelos computacionales abstractos hasta modelos moleculares y celulares, permitirán identificar las arquitecturas neuronales responsables de las diferentes funciones cerebrales y también la localización de enfermedades psiquiátricas. Finalmente, surgirán modelos de múltiple escala y de nivel múltiple tanto del cerebro del ratón como del ser humano. Será precisamente la Universidad Politécnica de Madrid una de las instituciones colíderes del subproyecto de modelización del cerebro del ratón. Un encuentro tendrá lugar en la Escuela Politécnica Federal de Lausana entre los días 6 y 11 de octubre de 2013, para coordinar los esfuerzos de los investigadores y administradores principales del proyecto (http://www.humanbrainproject.eu/hbp-summit-2013-overview).

Gerald Edelman y las funciones superiores del cerebro

Gerald Edelman, premio Nobel de Medicina en 1972, es hoy fundamentalmente conocido por su teoría acerca del origen de la conciencia. Pero en los orígenes de sus indagaciones sobre la responsabilidad de la selección de grupos neuronales en el establecimiento de funciones cerebrales superiores, están sus estudios sobre el sistema inmunológico que propiciaron su concesión del Premio Nobel. La selección clonal es propia de dicho sistema puesto que, como sistema evolutivo que es, es un sistema renovable; es decir, en su primer repertorio siempre son generadas nuevas variantes. En el Sistema Nervioso Central parecen ser las sinapsis los elementos renovables pero lo que sucede es que todavía sigue conociéndose poco acerca de su repertorio original, a diferencia de lo que sucede, por ejemplo, con el sistema inmunológico. Muchas de las predicciones al respecto de Edelman están siendo confirmadas en nuestros días. Y así, desde hace tiempo se sabe que los grupos celulares y no las células simples, son las unidades funcionales a considerar en el estudio de la conciencia. A su vez, la superposición funcional entre axones parece hoy evidente, produciéndose un fenómeno de redundancia que se manifiesta, electrofisiológicamente, en señalizaciones de reentrada, especialmente en grupos neuronales de las zonas talámica-cortical y límbica-reticular. Las señalizaciones de reentrada en fases implican asociaciones en paralelo entre patrones ya almacenados e inputs sensoriales o internos. La conciencia surgiría como el resultado del acceso de grupos neuronales a un rico repertorio de patrones multimodales asociativos, almacenados en la memoria a largo plazo como un resultado de experiencias pasadas.

Hanna Damasio y el estudio de la estructura cerebral

En octubre de 2012 la profesora Hanna Damasio ha sido investida Doctora Honoris Causa por la Universitat Oberta de Catalunya (UOC). Sirva esta breve entrada del blog para felicitarnos por ello y para homenajear a la galardonada.

Si hemos de hablar de la aplicación de las más vanguardistas técnicas de neuroimagen para el estudio detallado de la estructura cerebral, no podemos dejar de hablar de la profesora Damasio, la autora de la primera cartografía detallada del cerebro en imágenes y cuyo lugar ya está reservado en la Historia a la altura de pioneros como Brodmann. Ella ha abierto el camino para la conexión entre lesiones cerebrales o actividades de toma de decisiones y las aportaciones propiciadas por la tomografía computarizada, la resonancia magnética funcional o la tomografía por emisión de positrones. Ella es también la máxima experta mundial en el desarrollo de las técnicas de parcelación. Usando marcas anatómicas visibles, como las circunvoluciones, se señalan regiones de interés que incluyen desde el hipocampo hasta el cuerpo calloso, por ejemplo. En resonancia magnética tridimensional, las marcas de las regiones de interés son transferidas a rodajas paralelas al plano del rostro de la persona para definir la región en cada imagen. El volumen del área se suma para dar un valor global. Este proceso casi artesanal está empezando a ser automatizado actualmente (un poco como en el proyecto Cajal Blue Brain se está haciendo con la localización de las sinapsis y de las espinas dendríticas) pero hasta hace poco requería el trazo a mano por la experta mano de un anatomista. Como lo es, ante todo, Hanna Damasio, en la tradición de los mejores fisiólogos de todos los tiempos.

Neurodinámica no lineal del cerebro

En el artículo de este mes buscamos introducir al lector al intento más logrado, hasta ahora, de describir el funcionamiento dinámico real del cerebro. Se trata de la Neurodinámica no lineal o Dinámica de acción de masas neuronales del pionero Walter J. Freeman III. En una anterior entrada de este blog, dedicada al comentario del reciente y excelente libro de Rolls y Deco, "The Noisy Brain", afirmábamos que para estos autores el nivel clave del funcionamiento cerebral se situaba en las unidades mínimas de computación o estudio de las propiedades electroquímicas de las neuronas aisladas (Hodgkin y Huxley, 1952). Tanto este tipo de modelo de estudio como los modelos basados en redes neuronales concebidas como estaciones telegráficas de transmisión (véanse, por ejemplo, los modelos que toman el testigo del modelo de McCulloch y Pitts, 1959), son, en cierto modo, desafiados por la aportación del modelo de acción de masas de Freeman. Entiéndase bien: no es que pueda negligirse el nivel de análisis primario pero no podemos conformarnos con una simple extrapolación o expansión de conclusiones desde las conclusiones entresacadas del estudio, más o menos exhaustivo, de las propiedades de las membranas axonales o de las propiedades de transmisión de la circuitería. Es como querer inferir las características de la nieve a partir del simple análisis de la estructura microscópica de los pequeños cristales que, amontonados, la configuran. La clave aquí está en el término "amontonar", a poco que repare en ello el lector. Un gran número de elementos no lineales, como las neuronas, interactúan entre sí de una manera difusa y extendida en el espacio y el tiempo, de tal manera que emergen macroestados. Estos macroestados pueden ser descritos por ecuaciones diferenciales, debido a que la proporción de neuronas pulsátiles dentro de la masa de neuronas es pequeña y que la proporción tiende a distribuirse uniformemente en aquella masa neuronal. Conociendo las transformaciones no lineales de conversión de pulsación a onda y viceversa, la diferencia de potencial en la onda proporciona la base para evaluar el el estado de actividad de cada neurona. Dado el modo de onda ov y el modo de pulsación op , tenemos las siguientes funciones no lineales para expresar la mutua conversión: ov(t)=G1(op(t)) y op(t)=G2(ov(t)). Estas funciones no lineales definen la ganancia, dependiente de la amplitud, de una masa neuronal. Los datos se toman a partir de segmentos digitalizados de ondas procedentes del electroencefalograma (EEG), siendo el estado subyacente más común, el estado de equilibrio cero. Dado que tanto el ruido sináptico como la señal de EEG pueden ser tratados como series temporales randomizadas, los generadores neuronales pueden considerarse estacionarios, en el sentido de que las propiedades estadísticas de las señales permanecen constantes en intervalos de tiempo que pueden ir de varios segundos a varios minutos.

Todas las masas neuronales en el sistema nervioso central de los vertebrados producen campos extracelulares de potenciales que no siempre son detectables. El bulbo, la paleocorteza, la neocorteza, el tálamo y el striatum generan potenciales oscilatorios con frecuencias situadas entre 1 y 100 Hz. El cerebelo y la medula espinal producen potenciales que apenas son rítmicos. La teoría de la acción de masas neuronales contempla una actividad cíclica limitada en ambos casos, acompañados por cambios dinámicos que van desde un conjunto de estados de equilibrio no nulo a estados de frecuencias espaciales más o menos estables. En definitiva, la actividad de masas de neuronas puede caracterizarse por la invarianza estable de una o más variables de estado. En el estado de equilibrio cero, la función de densidad de las pulsaciones y el promedio de cambio temporal de la amplitud de onda equivalen a cero en todas partes. En el estado de equilibrio no nulo, los promedios son también cero. En el estado del ciclo límite ambos varían en torno a una frecuencia fija. Desembocamos, pues, en un estudio no lineal de la función cerebral que, a nuestro juicio, refleja mejor que ningún otro modelo, el genuino comportamiento de nuestro cerebro.

Los ritmos del cerebro

Los lectores que tengan la gentileza de leer este artículo quizá estén pensando en el título de la espléndida obra de Gyorgy Buzsaki, "Rhythms of the brain" (2006). Pero no vamos a centrarnos esta vez en el análisis de los contenidos de este libro imprescindible sino que comentaremos algunas cuestiones acerca de cómo el estudio de los ritmos theta que se registran en el cerebro, está llevando a extraer interesantes conclusiones acerca de la "computación" cerebral.

Naoyuki Sato trabaja en el Laboratorio de Dinámica de la Inteligencia Emergente, en el RIKEN Brain Science Institute del Japón, una de las instituciones de Neurociencia punteras en el mundo. Él trabaja, bajo la dirección de Yoko Yamaguchi, en el fenómeno de la sincronización de oscilaciones no lineales en el cerebro, elemento básico para explicar los ritmos circadianos o el inicio de la locomoción en animales. La llamada oscilación theta es un tipo de oscilación que se sitúa en una franja entre los 4 y los 12 herzios y que aparece en el cerebro durante la ejecución de movimientos voluntarios. De todos es conocido que el hipocampo desempeña un papel muy importante en la existencia de la memoria episódica en humanos pero que su funcionamiento neuronal es una cuestión abierta. En el hipocampo de las ratas se ha encontrado una sincronización neuronal particular conocida como "precesión de fase theta". Debido a la similaridad entre el hipocampo de la rata y el hipocampo humano, se esperaría una dinámica similar. A su vez, se considera que la dinámica de tipo theta se asocia con el procesamiento de la información en la navegación espacial. O´Keefe y Recce (véase la entrada de este blog concerniente a este autor) descubrieron en 1993 una curiosa relación entre la activación de las células espaciales y los ritmos theta. La activación de estas células se sincroniza con el potencial de campo local theta, de manera tal que las fases de activación van avanzando gradualmente conforme la rata pasa a través del recorrido espacial. Este fenómeno es denominado "precesión de fase theta" (Yoko Yamaguchi ,2007).

¿Qué clase de dinámica neuronal genera esta precesión? Yamaguchi (2003) propuso que sucede debido a la dinámica de sincronización neuronal que tiene lugar en la corteza entorinal. Las neuronas corticales de la zona entorinal podrían ser la base para la integración de la velocidad y del movimiento en el recorrido de lugares. Las neuronas piramidales de la corteza entorinal media muestran una actividad persistente después de ser despolarizadas o después de un periodo de entradas sinápticas repetidas. Yamaguchi (2007) formula un modelo matemático simple del comportamiento de la computación espacial de estas neuronas, representando la locomoción del animal por una distancia de desplazamiento en un intervalo de tiempo dado y su dirección.

Los estudios más actuales sobre dinámica cerebral revelan la importancia de la sincronización de oscilaciones en tareas cognitivas desempeñadas por humanos. Hace casi tres décadas, Ishihara y colaboradores demostraron la sincronización de ritmos theta en los sujetos que efectuaron un test de cociente intelectual. El ritmo theta se incrementó especialmente en las regiones frontales del cerebro. Parece que la computación cerebral para la inteligencia se basa en el principio de sincronización de oscilación baja. Quizá la actividad cerebral no pueda reducirse a sincronización pero, en cualquier caso, no podrá ser desentrañada nunca sin tener en cuenta la misma.

Conectividad cerebral

Hace más de 60 años, McCulloch y Pitts propusieron que la función cerebral surge a partir de neuronas binarias agrupadas en redes. En aquellos años, Hebb introdujo una de las reglas de aprendizaje más usadas en redes neuronales. A partir de ahí encontramos los "perceptrones" de Rosenblatt, la Teoría de la Resonancia Adaptativa de Grossberg o las redes simétricas de Hopfield. Pero todavía faltaba la tecnología para capturar la dinámica de redes de una manera cuantificable. La entrada en acción del formato digital permitió manejar propiamente datos procedentes de las medidas realizadas a través de la Electroencefalografía, culminada mediante la irrupción de la neuroimagen funcional. Uno de los grandes retos actuales es el de desbrozar los mecanismos de la función cerebral en redes analizadas en arquitecturas globales y locales.

La unidad básica de conexión en el cerebro es el contacto de una neurona con otra, que es caracterizada por la sinapsis neuronal. Si nos desplazamos desde las conexiones neuronales individuales hasta las conexiones entre regiones del cerebro, la resonancia magnética por difusión se basa en localizar secuencias pulsátiles que elicitan señales que reflejan la orientación de los procesos de difusión en tejidos blandos, específicamente de las moléculas de agua en el cerebro. Las señales indican dos características esenciales: la desviación de la difusión en cada "voxel" medido y la orientación tridimensional del tensor de difusión. Comparando los tensores en los "voxels" adyacentes, es posible concatenar las orientaciones más consistentes ("tractografía") y visualizarlas como líneas que corresponden a los tractos fundamentales de materia blanca en el cerebro humano. Obviamente, la visualización de los tractos no es directa sino que depende de los parámetros del algoritmo de reconstrucción. La tractografía es incapaz de discernir entre las muchas constelaciones geométricas dentro de un "vóxel" que conducen a la misma señal. Lo ideal sería poder establecer una conexión directa entre conectividad neuronal y regional, pero dicha conexión no es directa. Nosotros podemos examinar incluso las arborizaciones axonales locales pero no las proyecciones entre regiones del cerebro. Parece, eso sí, que tales proyecciones se originan desde las neuronas en capas infragranulares y supragranulares y que las neuronas de proyección son células piramidales (Kötter, 2007). Pero, ¿qué significa que una región del cerebro se proyecta hacia otra? Existen muchas definiciones diferentes de regiones cerebrales, resultando una enorme variabilidad, por lo que es muy difícil obtener afirmaciones precisas sobre conectividad entre regiones. Por ejemplo, se sabe que las terminaciones axonales de caminos recíprocos usualmente evitan la capa IV y se denominan conexiones descendentes, pero apenas se conoce nada acerca de las preferencias neuronales de los terminales de los axones. No obstante, aunque a día de hoy tenemos que basarnos en medidas indirectas que indiquen conexiones anatómicas, desarrollar la matriz de conectividad del cerebro humano es una tarea de gran importancia para la Neurociencia. Para ello precisamos de un enfoque multimodal que tenga en cuenta los datos que aporte la resonancia por difusión, pero también su correlación con medidas de actividad procedentes de la resonancia magnética funcional y de la electroencefalografía.

Cerebro y Creatividad en el Círculo de Bellas Artes

Los días 10 y 11 de Noviembre de 2009 se celebró en la sala "Ramón Gómez de la Serna" del Círculo de Bellas Artes" de Madrid, un ciclo de dos mesas redondas bajo el título genérico de "Cerebro y Creatividad". Ambas mesas fueron un éxito de público y contaron con la presencia de prestigiosos especialistas de la Neurología y de la Psicología. El ciclo estuvo dirigido por el Doctor Jesús Porta-Etessam, del Servicio de Neurología del Hospital Clínico San Carlos de Madrid, y fue coordinado por Pilar García Velasco (responsable del área de Humanidades y de Ciencia del Círculo) y por Carlos Pelta (UCM).

El primer día y tras una presentación del Doctor Porta en la que se presentaron imágenes de obras de artistas que podían implicar alguna patología cerebral (como, por ejemplo, la peculiar visión del mundo que podría tener un paciente aquejado por una manifestación de aura migrañosa), se inició la mesa redonda en la que se abordó la cuestión de la creatividad bajo la perspectiva tanto del artista como del científico. Participaron los Doctores Carlos López de Silanes, Manuel Lara, la Doctora María Luz Cuadrado y el Profesor Javier González Marqués (UCM). En el animado debate, en el que la audiencia tuvo una destacada participación final, se buscó desentrañar si la creatividad es un mero proceso generativo humano o si implica alguna cualidad especial que la hace fácilmente discernible entre individuos.

El segundo día contó con la incorporación de los Doctores Rocío García-Ramos y Alberto Villarejo, a la presencia del Doctor Porta-Etessam. La mesa, focalizada en torno a las "Bases neurobiológicas de la creatividad", arrancó con una exposición muy interesante de la Doctora García-Ramos, en la que se analizaron aquellas zonas cerebrales que más se han vinculado con el fenómeno creativo, desde la corteza prefrontal hasta el circuito TOP. A continuación el Doctor Villarejo presentó una fascinante serie de grandes músicos que, como Ravel o Smétana, compusieron alguna de sus obras más célebres bajo los efectos de alguna neuropatología (piénsese, por ejemplo, en el proceso neurológico perseverativo claramente reflejado en la estructura del "Bolero" del autor francés). La mesa culminó con la animada intervención de los asistentes.

Damos las gracias a todos los ponentes y, en especial, al Doctor Jesús Porta-Etessam, que supo aglutinar a la mayoría de los participantes en torno al proyecto y a Pilar García Velasco que, desde el Círculo creyó desde el primer momento en la viabilidad del ciclo. Por supuesto, el nutrido y heterogéneo público (artistas, biólogos, médicos, psicólogos...) merece también un sobresaliente por su compromiso e interés.

Susanne Schreiber: la gran esperanza de la Neurociencia

Voilà, pues he aquí que tenemos a una digna sucesora de Cajal a comienzos del siglo XXI. Se llama Susanne Schreiber y tiene 32 años. Acaba de ganar en 2008 el Premio Bernstein en Neurociencia Computacional, algo así como el Nobel de la especialidad, dotado con más de un millón de euros. Desde aquí vaticino que la investigación acerca del ritmo neuronal, sin duda, la auténtica clave de bóveda para comprender el funcionamiento del cerebro, va a estar marcada por ella y por su equipo de Berlín en la próxima década. Espero poder escucharla y conocerla este mes de julio, en el contexto del Congreso Internacional de Neurociencia Computacional, organizado por la OCNS, precisamente en la capital alemana.

Seamos de una vez por todas serios y realistas: nos acercaremos a la comprensión del cerebro en la medida en que entendamos su actividad, su ritmo de funcionamiento. Por lo tanto, y aún a riesgo de que algún genetista o especialista en química molecular que leyera esto, pudiera manifestar su disconformidad, el tren del entendimiento del cerebro no pasa exclusivamente por allí, como se nos pretende hacer creer ante la cascada infinita y reciente de artículos sobre combinatoria molecular o replicación genética. No. De acuerdo, se trata de los fenómenos primarios, de los fenómenos subfenoménicos, y el mal funcionamiento del dispositivo molecular neuronal eventualmente lleva a enfermedades neurológicas. Pero son las oscilaciones de la red neuronal las que tienen verdadero poder explicativo a nivel macrofenoménico. Claro, ésta es una empresa enormemente complicada, como no podía ser menos. ¿Por qué? Porque hay que descender al nivel de las neuronas simples. ¿Cómo las características de las neuronas aisladas influyen en la función de las redes más extensas en el cerebro? Esta es la pregunta

No todas las neuronas computan de la misma manera. Algunas neuronas producen "trenes" de impulsos en una sucesión rápida. Otras envían impulsos simples a intervalos regulares. Parece claro que cada célula o grupos de células posee un ritmo preferido a la hora de enviar impulsos.

¿Cómo las propiedades de respuesta de las neuronas influyen en la función de redes neuronales extensas? Grandes grupos de neuronas envían impulsos a un ritmo común, entrando en una "oscilación" colectiva a través de la interacción mutua. Esta conducta oscilatoria y su disfuncionalidad, puede ser un gran predictor de patologías, tales como la epilepsia, o de dificultades en el almacenamiento por parte de las diversas memorias.

Schreiber y su grupo investigan los mecanismos responsables de la oscilación sincrónica de las redes de neuronas y cómo las células individuales pueden mantener el ritmo. Y es que las propiedades individuales de respuesta de las neuronas individuales parecen ejercer efecto sobre la sincronización de la red. Esto se traduciría en la necesidad de elucidar la conexión entre los canales de iones de las células y sus características de respuesta.

Desde aquí queremos felicitar al "Bernstein Center for Computational Neuroscience" por su decisión de premiar el esfuerzo de Schreiber y su grupo por aupar la Neurociencia Computacional a unas propuestas tan llenas de ambición y prometedoras. Sin duda, es la suya una de las grandes apuestas en la investigación del cerebro en nuestro siglo.

12th Congress of the European Federation of Neurological Societies

Se ha celebrado en Madrid el duodécimo "Congreso de la Federación Europea de Sociedades de Neurología" (23-26 de agosto de 2008). Más de 4.000 participantes, unos 1.800 "abstracts" y 200 bolsas de viaje concedidas a jóvenes neurólogos hablan bien a las claras de la magnitud de este Congreso. Hemos de dar las gracias a todas las personas que han contribuído a su organización pero, en especial, agradecemos el esfuerzo de los Comités locales encabezados por Antonio Gil-Nagel, vicepresidente del Comité del programa y acompañado por Marcelo Berthier y Francisco Javier Grandas. Isabel Illa, como vicepresidenta del Comité de la EFNS y Rosario Luquin, Inmaculada Bonaventura, María Dolores Martínez, Valentín Mateos, Jesús Porta-Etessam y Pedro Jesús Serrano, fueron decisivos para que esta magna reunión llegara a buen término.

El Congreso se abrió con unas palabras de presentación por parte del presidente de la EFNS, Jacques L. De Reuck y comenzó con un curso libre titulado "How do I examine...? Intervino en primer lugar el profesor Gil-Nagel que, una vez más y secundado por su equipo del Hospital Ruber Internacional, demostró su gran categoría como neurólogo, con una muy interesante y cuidada propuesta acerca de cómo distinguir adecuadamente los ataques de epilepsia. Niall Quinn hizo mención a los métodos que está desarrollando en Londres para diagnosticar a los pacientes con la enfermedad de Parkinson e hizo hincapié en algo que, en estos tiempos de avance tecnológico constante, parece habérsenos olvidado: la importancia decisiva de la observación clínica por encima de las mediciones con aparatos. Para finalizar este curso, Michel Clanet se ocupó del diagnóstico temprano en la esclerosis múltiple.

El autor de este blog no es especialista en Neurología Clínica y, por lo tanto, centró su presencia en el Congreso en aquellos cursos y simposios que sí tenían que ver algo con su especialización, esto es, que tocaban más de cerca el lado computacional o que, por su relevancia, generalmente desde un punto de vista histórico, no podían ser obviados.

Destacamos del domingo 24 de agosto una sesión sobre neuro-estimulación para la epilepsia, en la que participaron los profesores Wadman y Boon. El profesor Wadman defendió el potencial de la neuroestimulación para diversas patologías cerebrales. El problema con la epilepsia, sin embargo, es que no es fácil encontrar la mejor localización para realizar la estimulación, por lo que es imprescindible realizar un óptimo protocolo con los pacientes candidatos a recibir esta terapia. Habría que distinguir, por otro lado, entre intervenir durante el comienzo de un ataque epiléptico y reducir crónicamente la excitabilidad del paciente, para así también reducir la probabilidad de la ocurrencia de un ataque. Especialmente interesante es la aplicación de estrategias de "bucle cerrado", esto es, de estrategias en las que el nivel de estimulación sea controlado por el propio estado del cerebro. El profesor Boon propuso la estimulación del nervio vago como un tratamiento alternativo para los pacientes con epilepsia refractaria a los tratamientos convencionales. En la misma mañana del domingo, un grupo de profesores de la Universidad de Palermo, encabezados por el profesor Giglia, mostraban cómo modular el córtex prefrontal dorsolateral mediante estimulación magnética transcraneal repetitiva, misma técnica que Antonio Oliviero exponía por la tarde en relación con el tratamiento de los desórdenes del movimiento. A la misma hora, Barbro B. Johansson analizaba el fascinante tema de la plasticidad cerebral. Según Johansson, el entrenamiento en actividades específicas de la vida diaria, a partir de la primera semana después de haber sufrido daño cerebral, es un factor clave en la rehabilitación. El cerebro tiene una gran capacidad para el procesamiento simultáneo automático. Las lesiones corticales interrumpen las redes que combinan diferentes regiones, y la capacidad para el procesamiento automático de los estímulos de entrada se vé reducida. La representación motórica y cortical de la mano ejerce influencias inhibitorias sobre el córtex motor opuesto, en individuos sanos. Basado en la observación de una actitud muy inhibitoria en aspectos tactiles de los pacientes con infarto cerebral, Johansson hipotetiza que esta anormalidad podría influir de manera adversa en la recuperación motora y usa sistemas de estimulación magnética transcraneal para ayudar a la recuperación.

Como es obvio, las técnicas de neuroimagen ocuparon un lugar destacado en el Congreso, técnicas profusamente empleadas en uno de los temas estrella de la reunión, junto a la epilepsia y la enfermedad de Alzheimer: me refiero a la cuestión de los desórdenes del movimiento y, en concreto, a los desórdenes cuyo foco se sitúa en los ganglios basales. La profesora Daniela Berg, desarrolló, en este sentido, su exposición, el lunes 25 por la mañana. Según la investigadora de Tübingen, para el diagnóstico diferencial de los síndromes Parkinsonianos, las técnicas de SPECT y de PEC presentan muchas limitaciones en el discernimiento entre enfermedad de Parkinson idiopática y enfermedad de Parkinson atípica. En cambio, el uso de TCS sí se ha mostrado útil para diferenciar entre pacientes. No obstante, técnicas MRI especiales, como la imagen tensorial de difusión (DTI) y la volumetría de las diferentes áreas, están llamando a las puertas del diagnóstico. En una línea similar, el grupo de jóvenes neurólogos de Barcelona, capitaneado por Ibarretxe-Bilbao, expuso, usando procedimientos de neuroimagen, la cuestión de la toma de decisiones y el reconocimiento de emociones en enfermos de Parkinson.

En la sesión sobre Neuropsicología Cognitiva del martes día 26 resaltamos el trabajo presentado por el grupo de la Universidad de Ginebra sobre la disociación de la relación semántica y los efectos del lenguaje en el cerebro bilingüe, usando potenciales de eventos. Numerosos estudios revelan efectos de facilitación semántica en respuestas más rápidas a palabras diana, precedidas por estímulos iniciales semánticamente relacionados, frente a estímulos no relacionados semánticamente. En sujetos bilingües se observa además, que la velocidad de respuesta es superior en la primera lengua. Empleando técnicas de electrofisiología, los autores disocian lenguaje y efectos semánticos en el tiempo y en el espacio.

El Congreso se cerró, para el autor de esta crónica, con una fascinante sesión sobre Historia de la Neurología, presidida por el profesor Jesús Porta-Etessam, del Hospital Clínico, y por el profesor Iván Iniesta, del Walton Centre de Liverpool. Iniesta introdujo, de manera muy solvente, la figura de Pedro Laín Entralgo, como gran representante de la Historia de la Medicina de la segunda mitad del siglo XX y como defensor de una visión holística del diagnóstico que incluso se remontaría hasta Hipócrates. Muy relevante fue la intervención de un investigador de tanta valía como es Javier De Felipe, del Instituto Cajal de Madrid. Versó sobre Ramón y Cajal y su famosa metáfora de "las mariposas del alma" para referirse a las células piramidales del cerebro. El profesor De Felipe explicó la descripción realizada por Cajal en 1888 de espinas dendríticas que, otros, como el propio Golgi, habían creído que se debían a ilusiones o artefactos generados por el propio método de tinción del fisiólogo italiano. Dos años más tarde, el médico aragonés describe la presencia de espinas en las neuronas piramidales del córtex de mamíferos, sugiriendo y esto es lo verdaderamente esencial, que eran puntos de contacto para los axones y, en consecuencia, un fundamental elemento de conectividad. Esta circunstancia no pudo ser demostrada hasta dos décadas después de su muerte, al entrar en escena el microscopio electrónico. Más aún, recientes estudios demuestran la gran importancia de estas estructuras para la cognición, dada su alta plasticidad. Podemos hablar, por lo tanto, de un Cajal absolutamente visionario que nos transporta al siglo XXI. Del Cajal que, en el siglo XX, vence las reticencias iniciales, demostrando que el sistema nervioso forma una red estructurada y no una red difusa (como diría Golgi) y que la conectividad neuronal está polarizada de una manera definida, al Cajal que vislumbra la funcionalidad de unas estructuras que, durante décadas, fueron contempladas como estructuras extrañas y quizá afuncionales.

La última presentación correspondió a Alberto Portera, por cuyas manos ha pasado gran parte de la vanguardia de la Neurología española durante el siglo XX. El profesor Portera, siempre entusiasta, siempre enciclopédico y ocurrente, nos presentó un vídeo que nos situaba en el desaparecido Museo Cajal de Madrid.

El Congreso finalizó y un gran esfuerzo quedaba atrás. Os espera Florencia en 2009.