NEUROCIENCIA

CONSTRUYENDO UNA IMAGEN DEL CEREBRO

Gerald M. Edelmann

El cerebro es uno de los más complicados objetos materiales que existen en el universo. Aún antes del advenimiento de la moderna neurociencia, era de común conocimiento que el cerebro es necesario para la percepción, los sentimientos y los pensamientos. Actualmente esta idea se considera una verdad evidente (1) ¿Cuál es la conexión? ¿Podemos construir una imagen de la estructura y la dinámica de este objeto extraordinario mediante el cual se origina la mente? Esta interrogante el objetivo principal de la moderna neurociencia y, cuando lo alcancemos, tendrá grandes consecuencias para la humanidad.

En este ensayo me propongo referirme acerca de algunas secciones del cerebro que las hacen completamente especiales desafiando la imagen del cerebro como una máquina. Al hacerlo, voy a plantear puntos de vista alternativos y trataré de abarcar diversos niveles de organización del cerebro, desde sus aspectos estructurales más microscópicos a sus funciones más abstractas. Mi hipótesis es que el cerebro humano es tanto un objeto como un sistema cuya conectividad, dinámica, modo de funcionamiento no se semeja a lo que ciencia ha podido aún encontrar. Por supuesto, la construcción de una imagen del cerebro constituye un desafío extraordinario Aunque estamos lejos de dar una visión completa de esta imagen, una vista parcial es mejor que ninguna. Antes de intentar una sinopsis, se requiere examinar secciones y propiedades claves del cerebro.

LA PREDOMINANCIA DE LA NEUROANATOMÍA

Si alguien sostiene una pistola sobre mi cabeza y me reta a identificar la palabra de mayor significancia para la comprensión del cerebro, diría “neuroanatomía”. Por lo tanto, la observación de mayor importancia que pueda hacerse acerca del cerebro es que la anatomía es el aspecto más importante sobre él (2)

El cerebro de un humano adulto pesa cerca de tres libras. Contiene alrededor de 30 billones de células nerviosas o neuronas. La corteza cerebral contiene cerca de 10 billones de neuronas y un millón de un billón de conexiones. Si contamos una sinapsis por segundo terminaríamos de contar después de 32 millones de años. Si consideramos el número de caminos en los cuales son estimulados los circuitos de conexiones, tendremos que referirnos a números hiperastronómicos: 10 seguido de un millón de ceros. (En el universo conocido hay partículas en un número aproximado de 10 seguido por 79 ceros)

Las neuronas tienen una gran variedad de formas pero, por lo general su parte superior se proyecta en las forma de ramas de un árbol que denominamos dendritas, las cuales reciben las conexiones. Estas ramas están conectadas a un eje o axon, que realiza conexiones sinápticas a las dendritas o cuerpos celulares de otras neuronas. Nadie ha hecho un conteo exacto de los diferentes tipos neuronales en el cerebro pero un estimado genérico de 50 tipos podría no ser excesivo. El largo y los patrones de ramificación de las dendritas y los axones desde un tipo dado de neurona tiene también un rango de variación pero aún en un mismo tipo no existen dos células parecidas.

La forma en que el cerebro está conectado viene a ser uno de los campos de estudio más trascendentes para poder comprender su función general. Sabemos que el cerebro se encuentra interconectado de una forma que ningún recurso humano puede igualar. En primer lugar, yendo desde las delicadas ramificaciones de sus células a los circuitos más importantes, todas sus conexiones tienen tres dimensiones. (Un chip de computadora puede estar conectado a otros en tres dimensiones pero está inscrito en dos dimensiones.) Segundo, las conexiones del cerebro no son exactas. Si preguntamos si es que las conexiones son idénticas en dos cerebros del mismo tamaño, tal como lo serían en dos computadoras similares, la respuesta es negativa. No existen dos cerebros idénticos ni aún los de gemelos. Más aún, en cualquiera de los dos casos, las conexiones en el mismo cerebro no permanecerán siendo exactamente las mismas. Algunas células pueden haber inhibido sus procesos. Otras pueden haberlos expandido o desarrollado nuevos procesos Otras células pueden haber muerto. Así, aunque el patrón total de conexiones de un área específica del cerebro puede ser descrito en términos generales, en el nivel de las sinapsis los patrones son extraordinariamente complejos y variables.

Como ejemplo, consideremos una célula piramidal en una capa particular de las seis capas de la corteza cerebral: Tiene, por lo general, unas 10,000 sinapsis conectándose con células vecinas o distantes. Si se cambia a la siguiente célula piramidal del mismo tipo, el número de sinapsis puede variar ampliamente y el patrón de sus contactos puede ser bastante diferente. Aún así, dentro de un área dada de la corteza (por decir, la visión) estas dos células mantienen una similitud de relación con células de otra área de la corteza, por ejemplo las que controlan el movimiento. Esta observación nos lleva a una conclusión: Si bien existen grandes similitudes en ciertas zonas no hay, de ninguna forma, conexiones específicas punto a punto en el cerebro. La variabilidad microscópica del cerebro, en sus más delicadas ramificaciones, es inmensa, determinando que cada cerebro sea completamente único y diferente. Estas observaciones son un desafío fundamental a aquellos modelos del cerebro que se basan sobre la instrucción o la computación. Como comentaré a continuación, esta información proporciona un sustento bastante sólido a las teorías seleccionistas del cerebro –teorías que actualmente dependen de la variación para explicar el funcionamiento cerebral (3)

Dos características clave de los patrones neuronales a nivel microscópico son su densidad y su expansión. Una neurona tiene un diámetro de cerca de 50 micrones aunque su axon puede variar desde un micrón a metros de longitud. En un tejido como la corteza, las neuronas están ubicadas unidas en una extraordinaria densidad: si todas fuesen manchadas con plata en la mancha de Golgi, la sección podría fijarse negra. En realidad la utilidad de esta mancha reside en el hecho de que afecta solo a una fracción muy pequeña de células en un área específica. Ubicadas entre las neuronas se encuentran las células no neuronales, llamadas gliales que tienen funciones fisiológicas y de desarrollo apoyando la actividad neurológica y la neuroanatomía. En algunos lugares, las células gliales superan el número de neuronas.

En las densas redes del cerebro, es la expansión de los árboles neuronales –los árboles dendríticos y las proyecciones axonales. Lo que constituye, quizás, el aspecto más extraordinario del cerebro. En algunas zonas, la expansión espacial de un axon formando un complejo ramaje puede ser algo más de un milímetro cúbico. Superpuestos a este árbol con sus intrincadas ramificaciones pueden estar árboles de otras incontables neuronas. La superposición puede ser tan grande como el 70’% en un espacio tridimensional. (Ninguna selva o bosque de árboles y raíces podría permitir una superposición tan grande.) Más aún, en tanto los árboles axonales se superponen forman una enorme variedad de sinapsis con células en los caminos de sus ramas, resultando en un patrón que es único para cada volumen cerebral. Actualmente si bien podemos trazar la total arborización de una única célula, no poseemos una imagen clara de la microanatomía de los árboles entremezclados de las muchas células vecinas a la escala de sus sinapsis. En resumen, las principales secciones microestructurales son la densidad, la superposición, las ramificaciones individuales y la individualidad de las estructuras neuronales, aún de aquellos patronas de alta especificidad que caracterizan la neuroanatomía de una región cerebral específica.

Estos patrones de gran escala y el funcionamiento global del cerebro depende de cómo funcionan las neuronas y se intercambian señales (4). Las funciones celulares generales de las neuronas –como la respiración, la herencia genética y la síntesis proteica- son semejantes a otras células en el cuerpo. Las secciones especiales relacionadas a la función nerviosa están principalmente relacionadas con las sinapsis. Las neuronas vienen en dos sentidos: excitatorias e inhibitorias y la delicada estructura de sus sinapsis varía de acuerdo a cada de uno de estos procesos. Pero los principios básicos son similares para cada uno de ellos y tienen que ver tanto con señales de carácter químico y eléctrico. En tanto que en ciertas especies algunas sinapsis pueden ser completamente eléctricas, la vasta mayoría de sinapsis en el cerebro humano son químicas, En la mayoría de los casos las neuronas presinápticas y postsinápticas se hallan separadas por un hendidura formando una sinapsis única. Las neuronas están polarizadas en su potencial eléctrico en el interior y exterior de su membrana celular. Como resultado del flujo de iones a través de una porción particular de la membrana celular, la célula es localmente despolarizada. Una onda de despolarización conduce a una acción potencial que ese expande hacia el axón y cuando alcanza la región de las sinapsis ocasiona la descarga de neurotransmisores desde una serie de vesículas en la neurona presináptica Si la neurona es excitatoria, los neurotransmisores cruzarán la hendidura, enlazarán a receptores específicos en la neurona postsináptica y ocasionarán que la neurona postsináptica se despolarice. Estos procesos ocurren en un período de decenas a cientos de milisegundos. Si la neurona postsináptica se despolariza lo suficiente después

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