Hoja de datos de neurociencia para tontos

De Neuroscience For Dummies, 2ª Edición

Por Frank Amthor

¿Por qué es importante la Neurociencia? La estructura más compleja del universo es la masa de tres libras de células dentro de su cráneo llamada cerebro. El cerebro consiste en alrededor de 100 mil millones de neuronas, que es aproximadamente el mismo número que todas las estrellas en nuestra galaxia Vía Láctea y el número de galaxias en el universo conocido. También contiene alrededor de un billón de células gliales, que contribuyen a la función adecuada de las neuronas. Como cualquier máquina compleja, el cerebro contiene muchas partes, cada una de las cuales tiene subpartes, que a su vez tienen subpartes, hasta las «tuercas y tornillos» – las neuronas y la glía. En esta Hoja de Trucos, usted encontrará información sobre las partes clave del cerebro y el papel y función de las células que componen el sistema nervioso.

Neurociencia: Tipos y funciones de las células del sistema nervioso central

El sistema nervioso está formado por el sistema nervioso central (cerebro y médula espinal), el sistema nervioso periférico (neuronas sensoriales y motoras) y el sistema nervioso autónomo (que regula los procesos corporales como la digestión y la frecuencia cardíaca).

Todas las divisiones del sistema nervioso se basan universalmente en las funciones de las neuronas, células especializadas que procesan la información. Las neuronas generan impulsos nerviosos que causan la liberación de químicos en espacios especializados llamados sinapsis que permiten que las diferentes neuronas se comuniquen entre sí. La función adecuada de las neuronas depende de las células gliales especializadas. Todos los sistemas nerviosos de todas las especies animales tienen siete tipos básicos de células funcionales:

• Neuronas sensoriales: Estas neuronas le dicen al resto del cerebro acerca del ambiente externo e interno.
• Neuronas motoras (y otras de salida): Las neuronas motoras contraen los músculos y median el comportamiento, y otras neuronas de salida estimulan las glándulas y los órganos.
• Neuronas de comunicación: Las neuronas de comunicación transmiten señales de un área del cerebro a otra.
• Neuronas de computación: La gran mayoría de las neuronas de los vertebrados son neuronas de cálculo. Las neuronas de computación extraen y procesan la información que llega de los sentidos, comparan esa información con la que está en la memoria y la utilizan para planificar y ejecutar el comportamiento. Cada una de las cientos de regiones del cerebro contiene aproximadamente varias docenas de tipos distintos de neuronas computacionales que median la función de esa área cerebral.
• Mielina: Muchos axones son envainados por procesos de células gliales que proporcionan aislamiento adicional. Este aislamiento está compuesto por oligodendrocitos que forman mielina, dando lugar a axones mielinados. Los espacios entre las envolturas de mielina se denominan nodos de Ranvier. Aquí es donde el potencial de acción (impulso nervioso eléctrico) se repite, lo que permite que la señal mantenga su fuerza en largas distancias. Los axones mielinados tienen velocidades de conducción rápidas en las que los potenciales de acción viajan a varios cientos de metros por segundo. Muchos axones más pequeños del sistema nervioso no están mielinados y conducen los potenciales de acción más lentamente.
• Astrocitos: Los astrocitos son células en forma de estrella que proporcionan apoyo metabólico a las neuronas, así como forman la barrera hematoencefálica. Los astrocitos contribuyen significativamente a la función sináptica al mantener la concentración adecuada de químicos en la sinapsis y también se sabe que liberan gliotransmisores que pueden regular la transmisión sináptica. La capacidad de los astrocitos para integrar la actividad sináptica y su estrecha ubicación física con las sinapsis ha dado lugar al término sinapsis tripartita. La sinapsis tripartita se refiere a tres entidades: la terminal pre-sináptica neuronal, la terminal post-sináptica neuronal y el proceso adyacente de un astrocito.
• Microglia: Estas células son las únicas células inmunitarias residentes en el cerebro. Actúan como una primera línea de defensa inmunológica en el cerebro. Los microbios son carroñeros, que eliminan las células muertas y los agentes infecciosos mediante un proceso llamado fagocitosis. Aunque la microglia puede activarse en estados de enfermedad para liberar sustancias químicas dañinas que lesionan a las neuronas, se ha demostrado que la microglia proporciona apoyo trófico a las neuronas. Estudios más recientes han demostrado que la microglia poda las sinapsis innecesarias durante el desarrollo, lo cual es necesario para la adecuada maduración del sistema nervioso central.

Existen diferencias estructurales obvias entre las neuronas y la mayoría de las otras células. Mientras que la mayoría de las células no neuronales se asemejan a esferoides aplastados, las neuronas típicamente tienen un «árbol dendrítico» de ramas (o procesos) que surgen del cuerpo celular (o soma), además de un único proceso llamado axón que también emana del cuerpo celular pero que corre a grandes distancias (a veces incluso hasta varios pies) antes de ramificarse. Mientras que las dendritas reciben entradas sinápticas de otras células, el axón envía la salida de la célula a otras células.

Las principales partes estructurales de una neurona.

Lo que realmente distingue al sistema nervioso de cualquier otro grupo funcional es la complejidad de las interconexiones neuronales llamadas sinapsis. El cerebro humano tiene alrededor de 100 mil millones de neuronas, cada una con un conjunto único de hasta 10.000 entradas sinápticas, produciendo un total de alrededor de un billón de sinapsis – un número aún mayor que la deuda nacional de los EE.UU. en centavos! El número de posibles estados distintos de este sistema es prácticamente incontable.

Neurociencia: Entendiendo el papel de la Neocorteza

La neocorteza juega un papel importante en la neurociencia. Cuando miras un cerebro humano desde arriba o desde los lados, casi todo lo que ves es neocorteza. Se llama «neo» porque es una invención relativamente reciente de los mamíferos. Antes de los mamíferos, animales como los reptiles y las aves tenían cerebros relativamente pequeños con áreas muy especializadas para procesar información sensorial y controlar el comportamiento.

El neocórtex permite la actividad mental más compleja que las personas asocian con el ser humano. La neocorteza humana es tan grande que cubre completamente todo el resto del cerebro, excepto un poco de cerebelo que sobresale de la espalda.

El neocórtex.

El neocórtex se divide en cuatro grandes lóbulos: frontal, parietal, temporal y occipital:

• El lóbulo frontal incluye todo el neocortex desde el frente, la parte más anterior del cerebro hasta un surco mayor, llamado surco central, que corre de lado a lado alrededor de la mitad del cerebro.
• El lóbulo parietal se remonta directamente desde el surco central hasta el borde con el lóbulo occipital.
• El lóbulo occipital es el lóbulo de la punta más posterior. No hay una clara frontera continua entre los lóbulos parietal y occipital en la mayoría de los cerebros.
• El lóbulo temporal es la extensión en forma de lengua desde el borde entre los lóbulos occipital y parietal que se extiende en la dirección anterior.

Un gran neocórtex distingue a los mamíferos de todos los demás animales. Las especies que existían antes de que los mamíferos pudieran moverse claramente, sentir su entorno y exhibir muchas conductas complejas como las que ahora se ven en aves y lagartijas. Todas estas habilidades fueron activadas por estructuras cerebrales más antiguas y jerárquicamente inferiores a la neocorteza. Lo que el neocórtex permitió fue un nuevo nivel de comportamiento avanzado – particularmente el comportamiento social – que culminó en los humanos con la fabricación de herramientas y, en última instancia, el lenguaje y la conciencia de alto nivel.

Neurociencia: Mirando los hemisferios izquierdo y derecho del cerebro

El cerebro está compuesto de dos lóbulos de imagen casi especular llamados los hemisferios izquierdo y derecho. El hemisferio izquierdo recibe la mayoría de las entradas y controla principalmente el lado derecho del cuerpo. Este hemisferio en humanos también está especializado en lenguaje, razonamiento basado en reglas y habilidades analíticas. El hemisferio derecho se ocupa del lado izquierdo del cuerpo, y es mejor en el reconocimiento de patrones visuales y en los tipos de percepción más holísticos.

En la mayoría de las tareas, los dos hemisferios utilizan una estrategia de divide y vencerás, en la que el hemisferio izquierdo procesa los detalles y el derecho toma la visión general. Los dos hemisferios están conectados por el tracto fibroso más grande del cerebro, el cuerpo calloso, que contiene 200 millones de fibras.

Usando la Neurociencia para Examinar los Cuatro Lóbulos del Cerebro: Frontal, parietal, temporal y occipital

Conocer los cuatro lóbulos del cerebro es importante para la neurociencia. El neocórtex se divide en cuatro lóbulos principales: el lóbulo frontal, el lóbulo parietal, el lóbulo temporal y el lóbulo occipital. Estos lóbulos se dividen a su vez en diferentes regiones. Los lóbulos frontales están involucrados en el control del movimiento, desde la estimulación de los músculos individuales hasta la planificación abstracta de qué hacer.

El lóbulo parietal procesa información visual, auditiva y táctil. El lóbulo temporal es el área principal para el procesamiento auditivo temprano y un área de procesamiento visual de alto nivel. También procesa algunos aspectos del olor (olfato). El lóbulo occipital procesa la información visual y la envía a los lóbulos parietal y temporal. El gusto y algo de olfato se procesan en el lóbulo frontal posterior.

Los cuatro lóbulos y las regiones dentro de cada uno.

El lóbulo frontal

El lóbulo frontal se ocupa de la ejecución del comportamiento. Esto va desde el control de los músculos individuales en la corteza motora primaria hasta la planificación abstracta de alto nivel sobre qué hacer. Los lóbulos frontales están divididos en diferentes áreas:

• La corteza prefrontal: En los humanos, la corteza prefrontal ocupa la mayor parte del lóbulo frontal. La corteza prefrontal es crucial para el desempeño de casi todas las habilidades que requieren inteligencia. La corteza prefrontal tiende a ser más grande en primates que en otros mamíferos, y es más grande en humanos que en otros primates. La mayoría de los mamíferos operan principalmente por instinto y no viven en grupos sociales complejos y diferenciados. Los primates, por otro lado, tienen jerarquías masculinas y femeninas complejas y pueden tramar parcelas que se enfrentan entre sí durante años de planificación. Los humanos construyen herramientas, modifican sus entornos para sus propios fines y tienen relaciones específicas con cientos de otras personas (y esto incluso antes de Facebook).
• La corteza orbitofrontal: Esta área es la parte anterior y medial de la corteza prefrontal. La corteza orbitofrontal es esencial para la evaluación de riesgos y recompensas y para lo que podría llamarse juicio moral. Los pacientes con daños en esta área pueden tener una inteligencia normal o superior según las pruebas de CI, pero carecen incluso de un concepto rudimentario de modales o de acciones apropiadas en contextos sociales; también pierden casi toda la aversión al riesgo a pesar de tener un conocimiento claro de las malas consecuencias.
• Corteza motora primaria: La corteza motora primaria es la tira del área cerebral justo anterior al surco central, la porción más posterior del lóbulo frontal. El cerebro puede tomar el control directo de los músculos de la médula espinal. Lo hace a través de proyecciones de la corteza motora primaria. Las neuronas en la corteza motora primaria viajan por la médula espinal y sinapsis en las mismas neuronas motoras que median los reflejos. En teoría, este control directo permite mucha más flexibilidad y adaptabilidad.
• Corteza premotora: El trabajo de la corteza premotora es monitorear conscientemente las secuencias de movimiento, usando retroalimentación sensorial. Después de que los ganglios basales y la corteza prefrontal seleccionan la meta, la corteza premotora coordina los pasos para alcanzar esa meta. La actividad en la corteza premotora le ayuda a aprender a qué prestar atención mientras realiza una secuencia motora complicada y qué hacer cuando se atasca en algún punto en particular.

Piense en la corteza frontal como «polarizada» desde la parte anterior (frontal) a la posterior (posterior). La parte posterior más lejana, en el surco central, son los alambres neurales que van casi directamente a los músculos. Frente a eso hay áreas que organizan y secuencian los movimientos. Frente a esto están los niveles de planificación abstractos. En estos niveles abstractos, por ejemplo, usted selecciona entre una variedad de estrategias diferentes que pueden involucrar músculos completamente diferentes, secuencias musculares o, como en la toma de tenis, la decisión de no moverse en absoluto.

El lóbulo parietal

El lóbulo parietal contiene neuronas que reciben información sensorial de la piel y la lengua, y procesa información sensorial de las orejas y los ojos que se reciben en otros lóbulos. Las principales entradas sensoriales de la piel (tacto, temperatura y receptores de dolor) se transmiten a través del tálamo al lóbulo parietal.

El lóbulo occipital

El lóbulo occipital procesa la información visual que se envía al cerebro desde las retinas. Las retinas se proyectan a través del tálamo hacia el polo posterior del lóbulo occipital, llamado V1 (para el área visual uno), de modo que la actividad en las diferentes áreas de V1 se relaciona con lo que hay en la imagen alrededor de su actual punto de vista.

Las subáreas más allá de la V1 se especializan en tareas visuales como detección de color, percepción de profundidad y detección de movimiento. El sentido de la visión se procesa aún más mediante proyecciones desde estas áreas del lóbulo occipital superior a otras áreas en los lóbulos parietal y temporal, pero este procesamiento depende de un procesamiento temprano por parte del lóbulo occipital. (Los investigadores saben esto porque el daño a la V1 causa ceguera en esa parte del campo visual que se proyecta allí.)

El hecho de que el sistema visual obtenga un lóbulo entero para procesar enfatiza la importancia de la alta agudeza visual y el procesamiento entre nuestros sentidos.

El lóbulo temporal

El lóbulo temporal del cerebro combina información auditiva y visual. El aspecto superior (superior) y medio (central) del lóbulo temporal recibe la entrada auditiva de la parte del tálamo que transmite la información desde los oídos. La parte inferior del lóbulo temporal realiza el procesamiento visual para el reconocimiento de objetos y patrones. Las partes medial y anterior del lóbulo temporal están implicadas en el reconocimiento visual de muy alto orden (pudiendo reconocer caras, por ejemplo), así como en el reconocimiento dependiendo de la memoria.

Uso de la Neurociencia para Examinar el Tálamo y el Sistema Límbico

La neurociencia nos dice que la neocorteza interactúa con el resto del cerebro principalmente a través de una estructura llamada tálamo. El tálamo, que está debajo (y jerárquicamente debajo) del neocórtex, funciona como un centro de comando que controla qué información va entre las diferentes partes del neocórtex y el resto del cerebro.

Mientras que el neocórtex puede hacer un análisis muy detallado de los patrones que usted está viendo, el tálamo controla donde usted mira. Cuando tu neocorteza está dañada, pierdes habilidades particulares. Si tu tálamo está suficientemente dañado, pierdes el conocimiento.

El hipotálamo controla las funciones corporales homeostáticas como la temperatura y los ritmos circadianos.

El tálamo y el sistema límbico.

Piensa en el tálamo como la puerta de entrada a la corteza. Prácticamente todas las señales de los sentidos se transmiten a través del tálamo, al igual que las señales de otras áreas subcorticales. Muchas áreas del neocórtex también se comunican entre sí a través del tálamo.

Debajo de la neocorteza y el tálamo hay varias áreas cerebrales subcorticales importantes. Uno de los más importantes es una red de núcleos distintos, filogenéticamente antiguos llamados el sistema límbico. (Decir que estos núcleos del sistema límbico son filogenéticamente antiguos significa que existieron en especies mucho más antiguas que los mamíferos, como los lagartos, las aves y probablemente los dinosaurios). Varias estructuras importantes están dentro del sistema límbico:

• El hipocampo: El hipocampo tiene una función crucial en la creación de la memoria. El hipocampo recibe entradas de prácticamente todo el neocórtex. A través de receptores sinápticos ajustables especializados llamados receptores NMDA, puede asociar virtualmente cualquier constelación de propiedades que definen un objeto y su contexto.
• La amígdala: La amígdala está relacionada principalmente con el procesamiento emocional y la memoria. La amígdala interactúa con la corteza prefrontal para generar y procesar las principales emociones de ira, felicidad, disgusto, sorpresa, tristeza y, particularmente, miedo. Las personas que han sufrido daños en sus amígdalas tienen una capacidad reducida para reaccionar y evitar situaciones que inducen miedo.
• Corteza orbitofrontal: La corteza orbitofrontal es donde la amígdala y otras estructuras del sistema límbico interactúan con la parte de la corteza prefrontal. Suponga que, un viernes por la noche en particular mientras conduce a su casa, casi lo atropella otro auto en una intersección en particular. Es muy probable que, por mucho tiempo después de eso, cuando se acerque a esa intersección, particularmente los viernes, usted obtendrá un pequeño pinchazo de miedo o inquietud. Su corteza orbitofrontal ha almacenado las circunstancias, y la amígdala ha almacenado el miedo.
• La corteza cingular anterior: La corteza cingular anterior parece monitorear el progreso hacia cualquier meta que usted esté persiguiendo y genera una señal de «uh-oh» cuando las cosas no están funcionando para indicar que un cambio en la estrategia puede estar en orden.
• Los ganglios basales: Los ganglios basales consisten en cinco núcleos principales: el caudado, el putamen, el globus palladus, la sustancia negra y el núcleo subtalámico. Estos núcleos comprenden un sistema altamente interconectado que interactúa con el tálamo y el neocórtex para controlar el comportamiento.