Cuando una persona se rompe un brazo y debe dejarlo quieto, las regiones de su cerebro ocupadas de las actividades del otro brazo aumentan de tamaño, mientras que disminuyen las relacionadas con el miembro impedido. Un estudio de la Universidad de Zúrich muestra que la inmovilización induce una rápida reorganización del sistema sensoriomotor.

El cerebro cambia su estructura al tener un brazo inmovilizado. Imagen: jronaldlee

El cerebro humano es un órgano en constante evolución. Por ejemplo, si se reduce la sensibilidad y la movilidad de algunas partes del cuerpo, se transforma plásticamente para adaptarse a las nuevas condiciones. Un grupo de investigadores de la Universidad de Zúrich han estudiado cómo cambió la estructura cerebral de 10 personas diestras que se habían roto el brazo derecho y debían llevar un cabestrillo o escayola durante al menos 14 días.

“Después de la inmovilización observamos una reducción de la cantidad de la sustancia blanca y gris en el lado izquierdo del cerebro. Además, aumentaron las habilidades motoras de la mano izquierda, lo que está relacionado con un incremento de estas sustancias en el área motora del lado derecho”, afirman los autores en el artículo, publicado en la revista de la Academia Americana de Neurología, Neurology.

“Estos resultados son especialmente interesantes para la rehabilitación de personas que han sufrido accidentes cerebrovasculares u otros problemas”, asegura Nicolas Langer, autor principal del estudio e investigador de la Universidad de Zúrich (Suiza).

Variaciones en las sustancias blanca y gris

Los investigadores obtuvieron dos imágenes de resonancia magnética (MRI, por sus siglas en inglés) de los cerebros de las 10 personas que formaron la muestra: la primera, 48 horas después de la ruptura del brazo, y la segunda después de 16 días de inmovilización. A partir de estos escáneres pudieron medir la cantidad de sustancia gris y blanca.

Mientras llevaron el cabestrillo, los participantes tuvieron que usar su mano no dominante para llevar a cabo actividades diarias como lavarse, cepillarse los dientes, comer o escribir. Tras ello los investigadores observaron un aumento del tamaño del lado derecho del cerebro.

Además tuvieron totalmente inutilizada la mano derecha, lo que se relaciona con un descenso del 10% en la cantidad de sustancia gris y blanca en el lado izquierdo.

También evaluaron las capacidades motoras de los individuos tras llevar el vendaje. “Observamos que las habilidades motoras de la mano izquierda habían mejorado”, relata Langer. “Esta transferencia de destrezas está asociada con los cambios estructurales del cerebro”.

Valorar la terapia

Pero los investigadores no saben si estas variaciones son definitivas o, tras restablecer la movilidad normal, el cerebro se transforma de nuevo para volver al estado anterior.

Un tipo de terapia bastante habitual en casos de infarto cerebral u otros problemas que derivan en impedimentos en un miembro consiste en restringir el movimiento del brazo sano y dejar así que se refuerce al otro ayudando al cerebro a aprender nuevos caminos. “Este estudio muestra que este tratamiento tiene efectos tanto negativos como positivos”, advierte Langer.

“Es necesario estudiar cuándo resulta conveniente limitar el movimiento de un brazo en pacientes que hayan sufrido un ataque para mejorar la movilidad del otro miembro afectado”, opina Langer. “Además, nuestros resultados muestran que un brazo o una pierna herida deberían inmovilizarse lo menos posible”.

Referencia bibliográfica

N. Langer. J. Hänggi, N.A. Müller, H.P. Simmen, L. Jäncke. “Effects of limb immobilization on brain plasticity”. Neurology, 78. 17 de enero de 2012.

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).

Una investigación del Instituto de Neurociencias de Castilla y León (Incyl), centro vinculado a la Universidad de Salamanca, ofrece nuevas claves sobre los efectos de acostumbrar al cerebro en las primeras etapas de crecimiento a escuchar cierto tipo de sonidos. El estudio muestra que las ratas inmaduras se vuelven hipersensibles hacia los sonidos a los que han sido expuestas, lo que determina el importante papel del colículo inferior del cerebro en este proceso. Este fenómeno de sensibilización hacia los sonidos tiene importantes implicaciones prácticas en el caso del ser humano, por ejemplo, en el aprendizaje de idiomas, que resulta mucho más efectivo en niños de corta edad.

La investigación ofrece nuevas claves sobre los efectos de acostumbrar al cerebro en las primeras etapas de crecimiento a escuchar cierto tipo de sonidos. Imagen: Michael.M

Un nuevo estudio realizado por investigadores del Incyl somete a animales inmaduros a “un ambiente sensorial enriquecido”, con sonidos agradables o no traumáticos, como explica a DiCYT Manuel Sánchez Malmierca, investigador del instituto. “Es como si a un niño pequeño le pones a escuchar música de Mozart”, pone como ejemplo.
El resultado es que los animales se vuelven más sensibles a los sonidos en su etapa de crecimiento. “Vemos que las ratas a las que se les expone a un sonido especial durante su desarrollo se vuelven hipersensibles al mismo. Hay un periodo crítico durante el cual la plasticidad neuronal es muy potente”, añade.
Habitualmente, muchos neurocientíficos consideran que la mayor parte de las funciones importantes del sistema nervioso ocurren en la corteza cerebral, pero en realidad, “la corteza cerebral es una parte pequeña del cerebro” y una de las aportaciones científicas de este trabajo es, precisamente, destacar el importante papel que ejerce en este aprendizaje otra zona cerebral conocida como colículo inferior, que está muy relacionada con otros muchos aspectos clave de la audición.
“Antes se pensaba que todo ocurría en la corteza, pero también está implicado el colículo inferior”, insiste Sánchez Malmierca, aunque su equipo no ha podido demostrar si el fenómeno tiene su origen exactamente en esta parte del cerebro. En cualquier caso, lo que sí está claro es que “las neuronas subcorticales [las que están por debajo de la corteza, entre ellas, las del colículo inferior] son capaces de mantener o desarrollar esa sensibilidad al estímulo al que se ha sometido a los animales”, declara.
El proceso por el que ocurre tiene que ver con el concepto de plasticidad del cerebro, es decir, con la capacidad de moldearse ante distintas situaciones, que es mucho mayor en edades tempranas. En este caso, “las neuronas están sintonizadas a distintas frecuencias”, comenta el investigador. “Cuando estimulas a algunas de ellas por medio de un sonido concreto, las neuronas que están al lado modifican su posición y todas en conjunto se ‘resintonizan’ a una frecuencia concreta”, comenta. “En realidad no sabemos si las neuronas de al lado cambian su sintonía o si aumenta el número de las mismas, pero el hecho es que hay un cambio en la sintonía natural de estas células”, señala.
Sensibilidad para la música y los idiomas
Si este hecho se traslada al caso del ser humano, se encuentra la explicación a fenómenos como la especial sensibilidad de los músicos para los sonidos. “Un músico es capaz de distinguir un piano de otro piano; una persona normal podría distinguir el ruido de un camión y el de un avión, pero un músico podría distinguir entre dos vehículos iguales y habitualmente tiene tal sensibilidad para discriminar sonidos por haberla desarrollado desde pequeño”, comenta el científico.
De la misma forma, este fenómeno tiene implicaciones en el aprendizaje de idiomas. “En España, la gente empieza a aprender inglés cuando se da cuenta de que lo necesita y, cuando lo necesita, es demasiado tarde. Si a un niño en edad de aprender un lenguaje le enseñas inglés o le pones dibujos animados en inglés, absorbe el idioma con una facilidad tremenda y no sólo las palabras o la gramática, sino también la pronunciación”, comenta Malmierca, que estima que este periodo de aprendizaje podría situarse entre los tres y los ocho años.

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).

Con la primera lectura de una palabra, el cerebro la codifica visual y fonéticamente. Cuando el término se aprenda, será reconocido solo de forma visual, como si fuera un objeto sin parte sonora, lo que agiliza el proceso lector. A esta conclusión han llegado científicos estadounidenses que confían en que su hallazgo ayude a corregir problemas como la dislexia.

Una persona con capacidad de lectura normal puede captar una palabra dentro de una fracción de segundo. Foto: Ed Yourdon

Una persona con capacidad de lectura normal puede captar una palabra increíblemente rápido, dentro de una fracción de segundo. Para lograrlo, el cerebro está dotado de un ‘diccionario visual’ que permite examinar las palabras de forma rápida y eficiente. Este mecanismo, puramente visual, ha sido descrito por un equipo de neurocientíficos del Centro Médico de la Universidad de Georgetown, EE UU.

“Ante una palabra nueva, nuestro cerebro primero utiliza la fonética de la palabra para codificarla y hace coincidir el sonido con la palabra escrita. Una vez la hemos aprendido y la tenemos como parte del ‘diccionario visual’, ya no necesitamos la fonética para identificarla, la información puramente visual es suficiente para hacerlo” explica Laurie Glezer, investigadora de la Universidad de Georgetown y autora principal del trabajo.

Este hallazgo, presentado en la reunión anual de la Society for Neuroscience 2011, podrá ayudar a desvelar qué mecanismos utiliza el cerebro cuando lee y, según los autores, podría servir para resolver problemas cerebrales relacionados con los trastornos de la lectura, como la dislexia.

Para llegar a estas conclusiones los autores realizaron una prueba de reconocimiento de palabras a 12 voluntarios sometidos a resonancia magnética funcional (fMRI por sus siglas en inglés). El experimento mostró que palabras homófonas activan neuronas diferentes, igual que lo hacen palabras que no suenan parecido. “Esto sugiere que lo que el cerebro usa constantemente es la información visual de una palabra y no los sonidos”, afirma Glezer.

La líder de la investigación explica que “al igual que otros objetos que vemos, las palabras se pueden representar como algo completo. Esta representación visual permite el reconocimiento rápido y eficiente de palabras, habilidad característica en buenos lectores”.

Glezer añade que “las personas que son lectores habituales han desarrollado una representación puramente ortográfica de las palabras tras muchos años de lectura”.

La autora del trabajo afirma que estos hallazgos podrían ayudar a explicar por qué las personas con dislexia leen más despacio y con más dificultad.

“Los disléxicos, debido a problemas de procesamiento fonético, no son siempre capaces de desarrollar una representación visual precisa de las palabras que se han visto antes”, explica Glezer. “Para ellos, no supone una ventaja utilizar el ‘diccionario visual’ para procesar más rápido las palabras”, aclara.

La experta también asegura que su estudio niega la teoría de algunos neurocientíficos basada en que “cuando leemos una palabra se activan tanto nuestra percepción visual como fonética y que el área o áreas del cerebro que controlan una de esas capacidades, controla también la otra”.

Referencia Bibliográfica

Laurie S. Glezer, Xiong Jiang, Maximilian Riesenhuber. Neuroscience 2011. DOI 10.1016/j.neuron.2009.03.017

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).

Otra genial exposición en el ciclo de conferencias y coloquios Amazings 2011 que se celebraron hace dos semanas en Bilbao. En este caso es el neuropatólogo Alberto Rábano, de Fundación Cien, quien nos habla de las rocambolescas y sorprendentes vicisitudes que sufrió el cerebro de Albert Einstein cuando, después de morir el celebre físico, el patólogo Thomas Harvey le extrajo su cerebro e, increíblemente, se lo llevó a su casa. Estos hechos ya hace unos años los posteo Aberron en Fogonazos.

Para quien quiera ver todas las intervenciones y coloquios que se celebraron en Amazings 2011 en este enlace están todas disponibles. Quizás el audio no es lo mejor, pero es lo que hay.

Más sobre el tema en Pasa la vida:

• Xurxo Mariño – Los sonidos de la mente, en Amazings 2011

Genial exposición del neurofisiólogo gallego Xurxo Mariño (@xurxomar) en la tarde del sábado en la serie de conferencias y coloquios que se celebraron el fin de semana pasada en Bilbao con el nombre de Amazings 2011. Quizá la filmación no tiene una gran calidad, pero os os aseguro que lo que dice es simplemente genial. Un paseo por lo que se cuece dentro de nuestro cerebro explicado de forma amena a la vez que rigurosa y, por lo menos para mi, sorprendente.

Los científicos ya saben cómo mejorar la memoria con fármacos inteligentes, cambiar de estado de ánimo aplicando una corriente sobre el cráneo y encender y apagar circuitos neuronales con rayos de luz. Hay quienes incluso están a favor de implantar electrodos y sensores directamente encima de la corteza cerebral para tratar dolencias. La ‘neurología cosmética’ no solo pretende curar cerebros enfermos, sino mejorar los sanos ‘a la carta’.

La ‘neurología cosmética’ no solo pretende curar cerebros enfermos, sino mejorar los sanos ‘a la carta’. Imagen:Alvaro Tapia Hidalgo

“Se publica mucha basura sobre estudios cognitivos con resonancia magnética funcional, incluso en Science y Nature… ¡Especialmente en Science y Nature!”, afirmaba la neurocientífica del MIT Nancy Kanwisher en un seminario de neurociencia. Por un lado, Kanwisher se refería a la tendencia de las revistas científicas a publicar resultados impactantes aunque la metodología del trabajo sea débil, pero también quería reconocer que los estudios cognitivos con resonancia magnética funcional (fMRI) están de moda, y más en áreas como el neuromarketing o la neuroeconomía.

La neurociencia despierta grandes expectativas porque el estudio del cerebro vive un momento apasionante. La plasticidad neuronal es mucho mayor de lo que se imaginaba; tenemos nuevas técnicas que permiten activar y desactivar circuitos neuronales con luz óptica; podemos ‘leer’ la actividad del cerebro, descodificarla y mover un cursor sobre una pantalla de ordenador con el pensamiento.

Y sin embargo, aunque seamos capaces de entrenar nuestra memoria y darle smart drugs, ella nos seguirá engañando constantemente. Según el psicólogo de Harvard Daniel Schacter, “cuando recordamos el pasado siempre mezclamos realidades con imaginación y eventos inconexos, sobre todo en momentos emocionales fuertes”. O, como afirma Matthew Wilson, investigador en memoria y sueño del MIT, “cuanto más creemos que un recuerdo es certero, más falso suele ser”, una conclusión nada intuitiva publicada por primera vez en 1992 y corroborada por varios estudios.

Potenciar artificialmente la memoria y el aprendizaje

Quizá nunca podremos mejorar cualitativamente la memoria, pero sí cuantitativamente. Los neurocientíficos ya utilizan estimulación transcraneal eléctrica o magnética (TMS) en terapias de regeneración neuronal y contra la depresión. Ambas técnicas no invasivas aumentan la memoria de trabajo que recuerda datos por un período corto de tiempo.

Activando externamente áreas del córtex motor, se aprenden más rápido algunas tareas motoras complejas. Estimular áreas del lenguaje aumenta la retención de palabras y actuando sobre el lóbulo parietal se mejora el reconocimiento de objetos. Varios estudios sugieren que la TMS también puede modificar los estados de humor de pacientes sanos y su razonamiento cognitivo.

Incluso existen experimentos en los que la estimulación magnética transcraneal, aplicada para desbaratar la actividad de las neuronas, ha logrado que un grupo de personas cambiaran ciertos juicios morales.

Los neurocientíficos aseguran que todos estos resultados son científicamente significativos, pero reconocen que falta comprobar que lo sean clínicamente. Es decir, que tengan un efecto notorio. Quizás por eso el neuroingeniero Ed Boyden se atreve a afirmar: “yo soy partidario de implantar electrodos y sensores directamente encima de la corteza cerebral. Son mucho más fiables y los pinchazos bajo el cráneo no generan ningún daño; tenemos cerebro de sobra”.

Encender y apagar neuronas con luz

Boyden se refiere a que el cráneo genera demasiado ruido a la hora de estimular el cerebro de manera no invasiva. Animado por los éxitos de los implantes cocleares y los electrodos para el tratamiento del párkinson, defiende que ya podemos empezar a manipular el cerebro con garantías de seguridad. Insiste en que debemos ser cuidadosos, responsables, y éticos, pero que “la ciencia ha progresado a base de asumir riesgos”.

“Imagínate al primero que le dijeron que le iban a dar un poco de extracto de hongo porque contenía una sustancia llamada penicilina”, dice Ed Boyden para defender su postura. No es un simple provocador. En realidad es uno de los artífices de la principal revolución de la neurociencia en los últimos cinco años, la optogenética, que es la inserción de genes que permitan encender y apagar circuitos neuronales con luz óptica.

El principio es relativamente sencillo. En los años 70 se descubrieron unos canales en las membranas de bacterias, arqueas y algas, que dejaban pasar iones cargados positivamente cuando recibían luz: los canales de rodopsina.

Bien entrada la primera década del siglo XXI, Ed Boyden y otros investigadores elucubraron que, si lograban incorporar estos canales iónicos a neuronas mediante ingeniería genética, podrían utilizar frecuencias de luz para activar a voluntad la señal eléctrica de las neuronas.

Dicho y hecho. Encontraron un canal de rodopsina que se abría con luz azul y se crearon los primeros cultivos de neuronas que se excitaban al recibirla. Luego se introdujeron esos canales en las neuronas de moscas, gusanos, ratones y ratas, y ya se han insertado en cerebros de primates no humanos. Cuando les llega luz azul a través del cráneo, ciertas partes de su cerebro se activan, dejando ver qué función concreta tienen esos circuitos neuronales.

Otros canales hacían lo contrario, permitir la entrada de iones negativos de cloro bajo luz amarilla. Cuando se incorporaron a neuronas, se consiguió que estas se silenciaran al recibir luz amarilla. Los neurocientíficos tienen en sus manos un sistema para encender y apagar circuitos neuronales in vivo y ver qué ocurre. Es una herramienta poderosísima para la investigación básica, que en los últimos años se ha expandido a enorme velocidad por laboratorios de neurociencia de todo el mundo.

No contento con utilizar los canales como herramienta de investigación, Boyden defiende que la optognética podrá servir para tratar enfermedades como párkinson, depresión y epilepsia. En modelos animales ya se han producido resultados prometedores: el pasado abril un estudio anunciaba que los canales de rodopsina habían devuelto la visión a ratones ciegos. Recientemente se han encontrado canales iónicos más sensibles, maneras más seguras de introducirlos, mayor especificidad neuronal y nuevas formas de hacer llegar los pulsos de luz al cerebro.

La frontera entre neurociencia y neurotecnología ha sido holgadamente superada. El debate entre expectativas y límites éticos será apasionante.

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).

Caenorhabditis elegans

La ciencia ha dado un paso más hacia el control de la mente, aunque el tamaño de esa mente sea inferior al de un grano de arena. Andrew Leifer y sus colaboradores, de la Universidad de Harvard, han construido un sistema computerizado para manipular gusanos. Han conseguido así que se desplacen y se detengan, que sientan que algo les toca, e incluso les han incitado a poner huevos. Todo ello mediante la estimulación de sus neuronas con luz láser y mientras los gusanos nadan libremente en una placa de Petri. Esta técnica podría arrojar luz sobre el funcionamiento del sistema nervioso animal.

El gusano en cuestión es el nemátodo Caenorhabditis elegans, uno de los organismos más estudiados. Los Investigadores han cartografiado y clasificado por completo sus células, incluidas sus 302 neuronas y las aproximadamente 5000 conexiones entre ellas. Sin embargo, no se conoce todavía el funcionamiento conjunto de las neuronas en una red. ¿Cómo coordina el gusano sus aproximadamente 100 músculos para relajarse y contraerse en forma ondulatoria cuando nada?

Para descubrirlo, se modificó genéticamente el pequeño nemátodo de un milímetro de longitud para que algunas de sus células se volvieran sensibles a la luz, una técnica desarrollada hace poco y conocida como optogenética. Puesto que el cuerpo del gusano es transparente, el uso de láseres enfocados en puntos concretos puede activar o desactivar distintas neuronas sin necesidad de electrodos u otros métodos invasivos. Leifer colocó un microscopio en un dispositivo construido para rastrear los movimientos del gusano mientras este nadaba en la placa. También desarrolló un software que analizaba las imágenes del microscopio, localizaba las neuronas de interés y finalmente apuntaba y disparaba el láser. La revista Nature Methods publicó los resultados en su página web.

Otros equipos han utilizado la optogenética para controlar neuronas individuales en gusanos inmovilizados. Leifer señala, sin embargo, que es necesario actuar sobre el gusano cuando este nada libremente. Ha demostrado así que, mientras el gusano avanza, las señales motrices se transmiten a lo largo del cuerpo a través de las células musculares, además de las conexiones nerviosas.

Leifer opina que la técnica podría ayudar a crear simulaciones completas del comportamiento del organismo, un modelo informático de la totalidad de su sistema nervioso. En cierto modo, sería como «cargar una mente en el ordenador», aunque se trate de una mente rudimentaria.

Articulo publicado en Investigación y Ciencia nº 416, su autor es Davide Castelvechhi.