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La belleza interior del cerebro

Jose Viosca Ros marzo 31, 2015 Curiosidades No Comments

Un recorrido visual por el sistema nervioso, su desarrollo embrionario y sus enfermedades.

En la historia de la ciencia, los grandes saltos conceptuales vienen a menudo de la mano de avances tecnológicos que permiten ver lo que antes era invisible. Es muy difícil estudiar lo que no se puede ver y, por eso, uno de los avances más importantes en la historia de la Neurociencia es el microscopio.

Gracias a él, hemos descubierto la extraordinaria geografía del sistema nervioso. Imagínese tratar de estudiar las miles de islas griegas sin las potentes cámaras que apuntan a la Tierra desde los satélites actuales y permiten ver no solo el conjunto sino también el detalle de las playas y montañas en cada una de esas islas. Igualmente, el microscopio y sus distintas modificaciones han permitido ver todas las islas del cerebro con un detalle extraordinario, visualizar su origen embrionario y hasta observar fenómenos en el interior de sus componentes celulares. Pero todavía apenas sabemos cuál es la función exacta de todas esas formas y partes en el gran puzzle que es el sistema nervioso.

El primer microscopio, hace casi 5 siglos, utilizaba luz visible y por ello lentes ópticas (de donde recibe su nombre). Todavía hoy se utilizan mucho, pero hoy también tenemos microscopios que utilizan otras radiaciones electromagnéticas para poder ver cosas aún más pequeñas o localizar una mayor cantidad de cosas a la vez. Hay microscopios que utilizan luz fluorescente y pueden iluminar y/o captar solo un plano muy delgado de luz (microscopios confocales, microscopios multifotón, etc) localizando con gran precisión los elementos de la muestra, o microscopios que utilizan un haz de electrones (microscopios electrónicos) para separar puntos muy cercanos y desvelar la textura más íntima de las cosas.

No siempre un avance tecnológico se traslada directamente en un salto conceptual. El propio microscopio y su papel en la historia de la neurociencia ha protagonizado este tipo de disonancias entre técnica y conocimiento, como ilustra perfectamente el acalorado debate entre Cajal y Golgi, que no se resolvió hasta décadas después. Ambos veían prácticamente lo mismo, y ambos lo interpretaban de forma muy diferente.

Sea como fuere, lo que es innegable es que bajo el microscopio se desvelan unas imágenes de extraordinaria belleza. Tanto es así, que diversas instituciones científicas organizan concursos de arte con imágenes capturadas en los laboratorios, casi todas bajo un microscopio. La SENC ya organizó uno y la Wellcome Trust del Reino Unido también hace lo propio desde hace varios años -los ganadores de la última edición se han conocido hace pocas semanas. Son unas imágenes extraordinarias, de toda temática científica, que pasan a engrosar una ya enorme colección que todo aficionado a la fotografía debería ojear. Además, para gozo de todo neurocientífico, contiene una gran cantidad de imágenes sobre casi todos los aspectos concebibles del sistema nervioso, permitiendo hacer un recorrido visual por toda la neurociencia o, cuanto menos, algunas de sus áreas de estudio más generales, como haremos a continuación.

Los ladrillos del cerebro

Hay dos grandes familias de células en el tejido nervioso: Glía y Neuronas – y como en toda gran familia, en ambas hay una gran variedad. Las neuronas son células especializadas en comunicarse. Incansablemente, se envían impulsos nerviosos para contarse el lugar del cuerpo donde pica o cómo hacer para rascarse, y muchas más cosas. Y la glía también tiene un papel imprescindible.

Aquí está: la Neurona. Ramificada, arbórea, palpando los mensajes a su alrededor como las hojas de un árbol recogen la luz del sol. Esta es una célula ganglionar, la mayor de las neuronas de la retina (en el ojo). Los axones de estas neuronas se juntan en el nervio óptico, que viaja muy lejos hacia el interior del cerebro transportando las imagenes que vemos codificadas en forma de patrones de impulsos nerviosos.
Crédito: Richard Wingate, Wellcome Images.
Y aquí la Glía (en griego bizantino significa: “liga”, “unión”, “pegamento”). Tradicionalmente consideradas simples andamios del cerebro, hoy se piensa que también tienen un importante papel en la comunicación entre neuronas, en el desarrollo embrionario y en algunas enfermedades. Hay varios tipos de Glía, aquí veis Astrocitos (en rojo) y Oligodendrocitos (en verde). En azul se ve el ADN de los núcleos celulares.
Crédito: Steven Pollard, Wellcome Images.
En la intimidad del cerebro, Neuronas (en rojo) y Glía (Astrocitos, en verde) se entrelazan y abrazan. En la imagen, un cultivo de ambas visto al microscopio confocal. En azul, los núcleos celulares.
Crédito: Steven Pollard, Wellcome Images.

 

La geografía del cerebro

Por fuera y por dentro, el paisaje del cerebro es tan variado como sus ladrillos. Con más de 100 regiones diferentes, cada una a su vez dividida en varias subregiones, todas esas piezas del cerebro tienen un carácter único -como los habitantes del mundo. Cada una hace algo  distinto, aunque siempre colaboran y nunca actúan en solitario.

El cerebro humano, dibujado en su esplendor, protagonista en el escenario de la ciencia presente y futura. Solitario, aislado del mundo dentro de su caja craneal -que aquí no vemos-, observe su rugosidad más externa donde precisamente reside su talento, capacidad y empeño para analizarse y comprenderse. También se aprecian los lóbulos frontal, temporal, occipital y parietal. Los pliegues de la corteza cerebral (giros y surcos) permiten que quepa más materia gris empaquetada en el limitado espacio del cráneo.
Crédito: Anna Tanczos, Wellcome Images

 

La superficie del cerebro humano, al detalle. Imagen de la superficie de la corteza cerebral extraída a partir de un escaneado con resonancia magnética del cerebro. La imagen ha sido luego procesada con un algoritmo que imprime miles de círculos de distinto diámetro para transmitir en 2D una mejor impresión de las curvas y volúmenes del original en 3D.
Crédito: Parashkev Nachev, Wellcome Images

 

 

Dentro del cerebro, una de las neuronas más peculiares por su forma y gran longitud son las células de Purkinje, descubiertas por el anatomista homónimo en el año 1837. Se encuentran en el Cerebelo, una región al final del cerebro que es importante en la coordinación de los movimientos y la integración de información sensorial y comandos motores. En la imagen, vemos estas neuronas coloreadas con la proteína fluorescente GFP (en un ratón) visualizadas con un microscopio de dos fotones.
Crédito: Prof. M. Hausser / UCL, Wellcome Images

De hombros para arriba, uno de los paisajes más extraordinarios se encuentra en las profundidades del oído: el caracol. Visto bajo un microscopio electrónico de barrido, vemos el caracol de una cobaya. A lo largo de su estructura espiral, hay filas de células sensoriales que responden a diferentes frecuencias de sonido. Aunque parezca gigante, solo tiene unos pocos milímetros de longitud.
Crédito: Dr David Furness, Wellcome Images

En el cerebro también hay miles de vasos sanguíneos, tantos que colocados en fila india medirían 600 km. Estos pueden reconocerse por la presencia de óxido nítrico (negro en la imagen, también presente en las neuronas), un gas que se dispersa rápidamente y actúa regulando el flujo sanguíneo, y también como neuromodulador en la memoria, el dolor y funciones gastrointestinales, respiratorias y genitourinarias.
Crédito: Med. Mic. Sciences Cardiff Uni, Wellcome Images

 

Las autopistas del cerebro

En el sistema nervioso, la unidad de funcionamiento es el circuito neuronal: un conjunto de neuronas que se transmiten información entre ellas y como resultado llevan a cabo una operación computacional. Hay circuitos cortos de pocas neuronas y también verdaderas autopistas de gran longitud. Su número es inmenso: en el cerebro humano hay 80.000 millones de neuronas que en promedio establecen 1000 conexiones cada una, dando 80 billones de sinapsis que pueden teóricamente ensamblar una cantidad inimaginable de circuitos diferentes. Esa es la teoría, exactamente no lo sabemos todavía.

Distintos circuitos a distinta profundidad. Sobre un cerebro transparente (CLARITY) de un ratón que tiene la proteína fluorescente GFP en algunas de sus neuronas, se han tomado más de 100 fotos a distintas profundidades a lo largo de casi 1 mm de distancia con un microscopio confocal. Luego, todas las capturas se han solapado. El color muestra la posición de las neuronas, de más arriba (rojo), pasando por profundidades intermedias (naranja, amarillo, púrpura, azul), a más profundo (verde).
Crédito: Luis de la Torre-Ubieta, Geschwind Laboratory, UCLA, Wellcome Images

 

En las larguísimas neuronas que descienden desde el cerebro hasta los músculos de las piernas, los impulsos nerviosos viajan vertiginosamente saltando unos obstáculos eléctricos, las aislantes vainas de mielina. Estas vainas (en verde) proceden de las células de Schwann (violeta), que rodean los axones (marrón). Imagen obtenida con un microscopio electrónico de barrido.
Crédito: Dr David Furness, Wellcome Images.


El arco iris en el cerebro. Los científicos han desarrollado un método genético para etiquetar las neuronas de un ratón con una amplia paleta de proteinas fluorescentes, de forma que cada neurona acaba mostrándose con un color distinto. Así, se puede mapear los largos trayectos que recorren los axones y dendritas, e  identificar los nodos y cables que forman los circuitos en el cerebro. La imagen muestra la región CA1 del hipocampo de un ratón Brainbow.
Crédito: J. Lichtman, Center for Brain Science

 

Nervios a todo color. Las fibras nerviosas del cerebro humano pueden reconstruirse con un tipo de resonancia magnética (DWI MRI) que mide la difusión del agua en muchas direcciones. Esta información en 3D se muestra aquí en 2D codificando con colores las diferentes direcciones de las fibras (azul: de arriba a abajo; verde: de delante a atrás; rojo: de izquierda a derecha).
Crédito: Zeynep M. Saygin, McGovern Institute, MIT, Wellcome Images

 

El cerebro humano analizado con la misma técnica de la imagen anterior (DWI MRI), pero esta vez las fibras se han reconstruido con un modelo digital que imita el estilo de los dibujos anatómicos del neurólogo francés Joseph Jules Dejerine, quien estudió en el siglo XIX las áreas del cerebro implicadas en la lectura.
Crédito: Dr Flavio Dell’Acqua, Wellcome Images

También los cerebros de los peces tienen circuitos neuronales. En la imagen, algunas neuronas del cerebro de un pez zebra contienen la proteína fluorescente GFP (en verde). Los axones se han marcado en rojo y las vesículas sinápticas en azul.
Crédito: Dr Steve Wilson, Wellcome Images

 

Cómo se construye un cerebro

Todos fuimos en algún momento una única célula, el zigoto, tras la unión de un espermatozoide y un óvulo de papá y mamá. La aparición de diversidad a partir de la homogeneidad de esa única célula es un proceso tan extraordinario como complejo, finamente orquestado por una gran cantidad de genes aunque también enormemente sensible a estímulos del ambiente. Bastante pronto en el desarrollo embrionario aparece un tubo que dará lugar a la práctica totalidad del sistema nervioso. La pared del tubo crecerá y su eje doblará para dar lugar a las grandes regiones del encéfalo y la médula espinal. En ese engrosamiento ocurrirá una gran división celular (neurogénesis). Algunas de esas células emprenderán un largo viaje a otra parte del cerebro (migración neuronal) y progresivamente todas irán adquiriendo propiedades de neuronas maduras (diferenciación). Les saldrá un axón que también emprenderá la búsqueda de sus neuronas diana, a veces remotamente distantes (guía axonal), para ensamblar los primeros circuitos, las primeras sinapsis (sinaptogénesis), que posteriormente se refinarán, perdiéndose algunas y reforzándose otras, mostrando casi ya al final sus rasgos distintivos (neurotransmisor, receptores, etc).

Algunas etapas del desarrollo del sistema nervioso se pueden reproducir (y estudiar) cultivando sus células en una placa de petri. En esta imagen vemos cómo las neuronas del cerebelo se agregan de forma espontánea, formando grupos de cuerpos celulares (en azul) de los que emanan trozos celulares (neuritas) ricos en microtúbulos (en rojo y verde)
Crédito: Ludovic Collin, Wellcome Images

 

Otro cultivo de neuronas (éstas de los ganglios del asta dorsal de la médula espinal, donde se encuentran los cuerpos celulares de las neuronas sensoriales que inervan la piel y mandan la información del exterior del cuerpo hacia el cerebro). En verde, se muestran los microtúbulos y en rojo los filamentos de actina. La prolongación axonal contiene ramos de microtúbulos que forman la estructura y además transportan proteínas y membranas desde y hacia el cuerpo celular. La zona con forma de mano, de color rojo, es el cono de crecimiento, una estructura que se mueve constantemente detectando señales del entorno que le marcan el camino en su búsqueda de la neurona diana.
Crédito: Kate Nobes & Mark Shipman, Wellcome Images.


No todo el sistema nervioso se encuentra en el cerebro. En la médula espinal, también hay miles de neuronas que manda sus axones hasta los músculos para ejecutar los movimientos. Durante el desarrollo embrionario, inicialmente varias neuronas contactan con una única fibra muscular, como muestra esta imagen (en verde la neurona, en rojo la sinapsis). Más tarde, el patrón de innervación es refinado, eliminándose sinapsis, hasta que solo un único axón de una neurona contacta con una sola fibra muscular.
Crédito: Tom Gillingwater, Wellcome Images.

 

El cerebro en acción

Nacen, crecen, se relacionan – un aspecto crucial de los seres vivos – y ahí es donde entra en juego el sistema nervioso. De la interacción con el entorno, ya sea físico o biológico, depende la propia supervivencia: detectar alimento, depredadores o individuos de la propia especie -quizá una potencial pareja; emocionarse, sentir o disfrutarlo, tomar una decisión y actuar en consecuencia, nuevamente emocionarse y recordarlo para planificar en el futuro, quizá conscientemente. Dormir, soñar, comer, cantar, beber, encender un fuego o mandar un email y tantas otras rutinas o novedades, son todas ellas funciones del sistema nervioso. Pero por dentro el cerebro no ve más que impulsos electroquímicos y sopas de neurotransmisores químicos que de alguna manera codifican y ejecutan todas las computaciones que subyacen a estas funciones y que apenas comenzamos a conocer hoy.

 

Diagrama de un cráneo representando las funciones mentales en diversas escenas (esfuerzo, restricción, introspección, agresión, convención, vulnerabilidad, etc).
Crédito: Gouache painting by R. Ennis, 1991. Wellcome Library, London

Una de las funciones más impresionantes del sistema nervioso es su capacidad de aprender y almacenar información. En el dibujo, las memorias y recuerdos de un hombre sentado en un sillón se proyectan detrás suya.
Crédito: Marina Caruso, Wellcome Images

 

Lateralización de funciones en el cerebro. El dibujo a mano muestra el cerebro a vista de pájaro con las funciones asignadas al hemisferio izquierdo en rojo y las del derecho en azul. Tradicionalmente, se pensaba que la gente lógica y analítica usaba más el hemisferio izquierdo, mientras las personas creativas el derecho. Pero hoy sabemos que, aunque el lenguaje, el cálculo y demás tareas cognitivas están frecuentemente algo más lateralizadas sobre el hemisferio izquierdo, en realidad los dos hemisferios se activan y están implicados en todas ellas en algún grado.
Crédito Stephen Magrath, Wellcome Images

 

El cerebro sin estigma

El 7.4% de todas las enfermedades en el mundo son de naturaleza mental o conductual; el 3% son neurológicas y solo los ictus son responsables del 4.1%, según la Organización Mundial de la Salud. El coste de las enfermedades del cerebro se estima actualmente de 2.5 trillones de dolares y aumentará a 6 trillones para el año 2030. Conocer mejor el sistema nervioso y sus disfunciones debería reducir ese coste.

 

Células de un tipo de tumor cerebral, el glioblastoma, con los núcleos teñidos en azul y esferas rojas siendo tragadas por la células tumorales en un proceso llamado endocitosis. El color verde es GFP que se ha introducido en estas células por un método llamado transfección para poder visualizar el volumen celular.
Crédito Alex Gray, Wellcome Images.

Placas amiloides de la enfermedad de Alzheimer, bajo el microscopio confocal.
Crédito: Med. Mic. Sciences Cardiff Uni, Wellcome Images

 

El estigma dificulta la diagnosis y el tratamiento de muchas enfermedades del cerebro. El dibujo ilustra la privacidad y el miedo a exponer nuestros aspectos internos.
Crédito: Shelley James, Wellcome Images.

PD: Esta entrada participa en el II Carnaval de Neurociencias alojado en el blog “Tormenta de Cerebros”. Puedes seguir todas las ediciones de este Carnaval aquí.


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