DeMente 2: Dos cabezas piensan más que una
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Una y otra vez, los avances de la ciencia nos han acercado a situaciones que años atrás solo podían estar en la mente de los artistas y los creadores. En efecto, un experimento demostró hace poco que era posible adquirir un conocimiento sin necesidad de haber pasado por un proceso de aprendizaje.
Hasta ahora, la experiencia ha sido un componente clave en la adquisición de nuevos conocimientos. El aprendizaje se entiende como un proceso mediante el cual, a través de las vivencias, se adquiere información que produce cambios en el comportamiento. Sin embargo, investigadores de Estados Unidos y Canadá lograron generar, de modo artificial, “memorias” que provocaron cambios en la conducta en roedores de laboratorio.
Para ello, partieron de dos supuestos. El primero es que la memoria solo ocurre en el cerebro, de modo que la estimulación directa sobre este puede generar un recuerdo artificial. Y, segundo, que el comportamiento que origina esa memoria artificial es semejante al que habría producido el recuerdo de una experiencia real.
Los investigadores se centraron en el llamado “aprendizaje asociativo”, que se basa en correlacionar estímulos sensoriales para luego servir de guía en la conducta. Por ejemplo, cuando un animal encuentra una fuente de alimento en una cueva, asocia los datos de ese lugar a la comida, lo que le genera una “memoria” que le permite regresar a esa caverna cuando sienta la necesidad de alimentarse.
Para poder generar memorias de modo artificial es necesario saber dónde y cómo se origina esta información en el cerebro; algo similar a insertar datos en el disco duro de una computadora. Esto parece una tarea muy difícil, si se tiene en cuenta la complejidad del funcionamiento cerebral, pero ya se conocen ciertas zonas que se activan a partir de determinados estímulos y que pueden producir una memoria que lleve a determinados comportamientos.
Los investigadores realizaron este experimento a través de la estimulación cerebral directa con pulsos de luz para activar las neuronas. Esta técnica se conoce como optogenética y se logra al modificar genéticamente ciertas células para que se activen al iluminarlas. Las zonas del cerebro involucradas en este trabajo son las que se relacionan con la “recompensa” y la “aversión”, y la que procesa los olores, llamada bulbo olfatorio.
¿Quién no ha recordado de modo fulminante algún momento de la infancia al sentir un determinado olor? El perfume de la madre, el aroma del guiso de la abuela o el olor de los útiles escolares el primer día de clases. Con la mente en ese fenómeno, los científicos decidieron entrenar a dos grupos de ratones para lograr en ellos el aprendizaje de asociar dos estímulos reales. Un grupo aprendió a asociar el olor de la acetona con una recompensa (comida); y el otro, a relacionar ese mismo aroma con un castigo (un pequeño golpe eléctrico).
Después del período de entrenamiento, los roedores fueron puestos a prueba. Los dos grupos se introdujeron en un lugar dividido en dos partes: una que olía a acetona y la otra, no. Su comportamiento tuvo directa relación con lo que habían aprendido. Los que habían recibido comida se fueron de inmediato al rincón que olía a acetona; y los que habían sufrido el shock eléctrico se alejaron de ese lugar. El desafío siguiente fue el más difícil: generar esas mismas memorias, pero no producto del entrenamiento sino de la estimulación cerebral.
Los científicos escogieron para este experimento el sistema olfatorio por su particular estructura. Cada neurona del órgano olfatorio (la nariz) expresa un único tipo de sensor de aroma (receptor), y las neuronas que comparten el mismo receptor se juntan en uno o dos glomérulos en el bulbo olfatorio en el cerebro. Entonces, al conocer qué receptor se estimula con un determinado aroma, se puede estimular en forma directa el glomérulo correspondiente a través de la luz y, con ello, simular la acción del receptor, aunque no haya sido así.
Luego vino la parte de asociar el olor a las respuestas de recompensa o de castigo. Los investigadores se basaron en estudios previos que proponían que ciertas partes del cerebro mostraban mayor actividad cuando se exponían a estímulos que generaban respuestas placenteras o de tipo aversivo.
Sobre la base de estos conocimientos, ratones de laboratorio fueron sometidos a un proceso de estimulación artificial a través de optogenética; es decir, aplicando puntos de luz dirigidos a las neuronas que participan de las respuestas tanto olfativas para la acetona como de recompensa o de aversión, según el grupo al que perteneciera el animal, con la intención de lograr un aprendizaje asociativo artificial.
En una jornada posterior, los ratones fueron llevados al lugar del experimento inicial, que tenía un rincón con olor a acetona y otro sin ese aroma. Y su comportamiento fue el mismo que el de los roedores que sí habían tenido la experiencia real: hubo un grupo que evitó el rincón de la acetona y otro que lo prefirió, coincidiendo con la estimulación cerebral que habían experimentado.
Esto demostró que es posible generar una memoria sin haberse sometido a una experiencia sensorial previa y a un proceso asociativo de aprendizaje. Aún falta un largo camino por recorrer antes de llegar a situaciones como las que vimos en Matrix, pero este experimento abre un mundo de posibilidades: la memoria y el aprendizaje son posibles gracias a la estimulación cerebral. Para lograrlo, es necesario conocer un detallado mapa de las zonas cerebrales involucradas en la adquisición de recuerdos y conocimientos. El resultado podría llegar a tener similitud con lo aprendido en años de experiencia. Una vez más, constatamos que la ciencia ficción puede llegar a ser ciencia real.
GLOSARIO:
Optogenética: es un método de estimulación cerebral que se realiza modificando genéticamente algunas neuronas para hacerlas sensibles a la luz con el fin de poder activarlas mediante destellos luminosos.
Houston, tenemos un problema: los cambios cerebrales tras un viaje al espacioChristian Poblete
Supo que quería ser astronauta cuando tenía cinco años. Junto a su hermano gemelo vio en la televisión cuando Neil Armstrong se convirtió en el primer ser humano en pisar la superficie de la Luna. Era el 21 de julio de 1969. Cincuenta años después, el astronauta norteamericano Scott Kelly logró ser escogido para integrar la misión “Un año en el espacio”, planificada para estudiar el impacto en el cuerpo humano de la exposición sostenida a la ingravidez. En la Estación Espacial Internacional (ISS por sus siglas en inglés), Kelly dio 5 mil 440 vueltas a la Tierra, contempló más de 10 mil amaneceres y supo que el espacio olía a metal quemado y soldadura. A su regreso, tal como estaba programado, se sometió a una serie de estudios que incluyeron a su hermano gemelo que permaneció en la Tierra durante su viaje al espacio. Los resultados confirmaron lo que ya se sospechaba. Scott había crecido y era más alto que su gemelo; presentaba serias alteraciones en su material genético y había perdido masa ósea y muscular. Su anatomía había cambiado de manera inapelable.
Desde el primer viaje espacial, protagonizado por el cosmonauta ruso Yuri Gagarin, han sido más de quinientos los astronautas, de 39 países, que han seguido sus pasos. Al igual que Scott Kelly, varios han tenido largas estadías en la Estación Espacial Internacional en los últimos veinte años. En este nuevo ambiente espacial, los efectos de atracción gravitatoria casi inexistentes, les permiten “nadar” con libertad dentro de la estación. Sin embargo, los astronautas se enfrentan a condiciones muy diferentes a las que tenemos en la superficie de la Tierra, como la nula presión atmosférica y fuertes oscilaciones térmicas causadas por las diferencias en la exposición respecto al Sol.
No se trata solo de condiciones hostiles del entorno. Imagina por un momento vivir confinado en un espacio reducido, con las mismas tres personas durante seis meses, sin la más mínima posibilidad de salida y siendo monitoreado en todo momento para registrar cambios de humor o de conducta producto del encierro. Pareciera ser casi un reality show estelar.
Pero, ¿cuál es el impacto en el sistema nervioso? Diversos estudios señalan que estar expuestos por períodos extensos a condiciones de microgravedad induce cambios en algunas estructuras cerebrales; entre ellos, el lóbulo frontal, el cerebelo y la corteza insular; zonas relacionadas con la conducta, la coordinación motora y la emocionalidad respectivamente.
Sin embargo, un artículo publicado en la revista de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos expone más evidencias que cobran relevancia al momento de evaluar la factibilidad de los futuros viajes espaciales, abriendo una serie de interrogantes ante el creciente interés en la colonización del planeta Marte.
La investigación liderada por Angelique Van Ombergen, del Laboratorio de Investigación en Equilibrio Aeroespacial y del Departamento de Neurociencias Traslacionales –ambos de la Universidad de Amberes en Bélgica–, se basó en el análisis de imágenes obtenidas por resonancia magnética a once astronautas que permanecieron por al menos seis meses orbitando la Tierra dentro de la Estación Espacial Internacional. Las primeras imágenes fueron obtenidas dos días antes de sus respectivos viajes al espacio. La segunda toma, en tanto, se concretó diez días después de volver a la Tierra. Por último, se les volvió a realizar el examen a los siete meses desde su llegada.
Las imágenes fueron comparadas –en los mismos periodos de tiempo– con otras once personas que tenían características similares a las de los astronautas estudiados, pero que no tenían relación con el programa espacial.
Tras cuatro años de investigación se concluyó que la exposición prolongada a un ambiente de microgravedad, asociado a vuelos espaciales de larga duración, produce un aumento del volumen en los ventrículos cerebrales, cavidades por donde circula el líquido cefalorraquídeo. Entre otras cosas, este líquido incoloro, protege el sistema nervioso central, actuando como un amortiguador ante aumentos en la presión intracraneal.
Con el estudio de seguimiento, realizado siete meses después del regreso de los astronautas a la Tierra, se observó que estas inflamaciones del organismo disminuyeron, pero no lo suficiente para retomar los parámetros normales. Entonces, ¿qué consecuencias tendrían, en los viajeros espaciales, estos valores aumentados? Una correlación observada es la alteración en la morfología ocular y la agudeza visual.
En concreto, se registró un aplanamiento del globo ocular y una acumulación de líquido (edema) en una estructura denominada disco óptico. Por otro lado, los astronautas presentaron signos de alteración en la agudeza visual, lo que se relaciona con un síndrome causado por un aumento de la presión intracraneal.
Si bien este estudio demuestra que los viajes prolongados al espacio tienen impacto en ciertas estructuras cerebrales, aún no está del todo claro cómo se producen estos cambios. Tampoco es posible determinar las consecuencias clínicas a largo plazo y cómo se relacionan las variaciones de los ventrículos con las anomalías oculares detectadas. Lo anterior se debe a que este tipo de exámenes de resonancia magnética aún no se pueden realizar en el espacio, por problemas logísticos. También hay que considerar que la segunda toma de imágenes ocurrió siete días después de volver a la Tierra, lo que dificulta hacer un análisis comparativo más preciso.
Con estos antecedentes, solo nos queda replantearnos si será posible viajar a Marte y desarrollar allí una población humana sostenible en el tiempo sin tener consecuencias negativas en nuestro organismo, sobre todo considerando que, con la tecnología actual, el tiempo que se requiere para ir y volver a ese planeta es el triple de los días en que los astronautas de este estudio orbitaron la Tierra. ¿Será la humanidad capaz de generar mecanismos para contrarrestar los efectos negativos en el organismo a causa de la microgravedad? ¿Está nuestra anatomía destinada a quedarse por siempre en este planeta? Si Marte es la próxima frontera, se necesitará seguir investigando para lograr ese siguiente gran salto de la humanidad.
Neuronas que juegan al “monito mayor”Juan José Alvear
Fue una casualidad, una serendipia, un hallazgo inesperado. De hecho, pensaron que se trataba de un error en la medición o un desperfecto en el equipo. Una y otra vez chequearon que estaba todo bien y así… casi sin quererlo… se dieron cuenta de que estaban detrás de un increíble descubrimiento. En 1996 un grupo de investigadores de la Universidad de Parma, Italia, liderados por Giacomo Rizzolatti estudiaba el comportamiento de las neuronas responsables del movimiento de las manos. Habían instalado electrodos en el cerebro de un macaco para poder evaluar la respuesta eléctrica de las neuronas encargadas de controlar los movimientos de la extremidad del primate. Durante el experimento, notaron que cuando uno de los científicos tomó un plátano, las neuronas del macaco tuvieron mayor actividad eléctrica. Más aún, este aumento de actividad se replicaba cuando el primate copiaba el movimiento del investigador. Así fue el descubrimiento de las neuronas espejo, un tipo especial de neurona que se estimula no solo cuando un sujeto realiza una acción, sino también cuando observa a otro sujeto realizar la misma actividad. En otras palabras, podemos decir que estas neuronas juegan al “monito mayor”, ese juego donde un niño realiza un movimiento y todo el resto debe seguirlo.
¿Te ha ocurrido que al observar a alguien bostezar –de manera inconsciente– bostezas también? El bostezo no es contagioso, sino que se trata de una respuesta eléctrica casi inmediata por parte del sistema de neuronas espejo, que juegan al “monito mayor”. Resulta aún más interesante destacar, que esta respuesta al bostezo no solo ocurre en humanos, sino que se replica también en otras especies, como los macacos y los perros.
La mayoría de los estudios realizados en este grupo de neuronas se ha enfocado en medir la actividad eléctrica del sujeto cuando está observando un movimiento y luego cuando lo está ejecutando. En mayo de 2018, fue publicada en la revista The Journal of Neuroscience una investigación que entrega nuevas luces acerca de su funcionamiento. Kevin Mazurek, junto a un equipo de investigadores estadounidenses, plantea que las neuronas espejo no solo monitorean los movimientos observados, sino que responden eléctricamente a la secuencia completa, de principio a fin, al episodio en el que se integran los movimientos. Es decir que, en el momento que identifican una potencial acción, pueden “predecir” el movimiento que hará el sujeto que están observando. Sin embargo, lograr dar con esta conclusión no resultó fácil.
El experimento consistió en registrar la actividad eléctrica de esta población neuronal en macacos, instalando microelectrodos en la corteza motora primaria y la corteza premotora (áreas del cerebro donde las neuronas espejo se encuentran presentes) antes, durante y al finalizar la observación por parte del sujeto de una secuencia de movimientos, que consistió en manipular diferentes objetos, tales como esferas, cilindros e interruptores.
Para poder evaluar esta actividad, oculta tanto para nuestros ojos como para la tecnología actual, los investigadores realizaron un análisis estadístico que permite inferir la actividad no observable a partir de los análisis de los registros de actividad eléctrica que sí se pueden medir. Es importante destacar que cuando los científicos poseen limitaciones experimentales, las herramientas matemáticas son de gran ayuda para entender y explicar fenómenos naturales, ya sea a gran o a pequeña escala.
Gracias a estos análisis, este grupo de científicos descubrió algo aún más interesante: las neuronas espejo no solo registran actividad durante todo el episodio del movimiento observado, sino también en las etapas anteriores y posteriores, durante las cuales no hay movimiento. Pero hubo más hallazgos. Descubrieron que la población de neuronas espejo ubicada en la corteza premotora tiene actividad eléctrica que progresa de manera similar, tanto en la observación como en la ejecución de movimientos.
Entender los mecanismos que subyacen a este tipo de actividad neuronal significaría un gran avance en el entendimiento de nuestro cerebro, y más aún, de nuestras conductas relacionadas al aprendizaje por imitación o comportamientos sociales como la empatía. Los descubrimientos científicos avanzan a pasos agigantados y cada aporte es fundamental para desarrollar conocimiento y tecnologías que puedan mejorar la salud y calidad de vida de las personas. El estudio de esta población neuronal puede abrir puertas para entender de manera más acabada ciertos trastornos relacionados con deficiencias en la comunicación e interacción con pares como, por ejemplo, el autismo.
GLOSARIO:
Corteza motora: comprende las áreas de la corteza cerebral responsables de los procesos de planificación, control y ejecución de las funciones motoras voluntarias. La corteza motora puede dividirse en cuatro partes principales: la corteza primaria motora (responsable de la generación de los impulsos neuronales que controlan la ejecución del movimiento); la corteza parietal posterior (encargada de transformar la información visual en instrucciones motoras); la corteza premotora (responsable de guiar los movimientos, el control de los músculos y del tronco corporal); y el área motora suplementaria responsable de la planificación y coordinación de movimientos complejos, como por ejemplo, aquellos que requieren el uso de ambas manos.
¿Qué tan inteligentes eran los dinosaurios?Daniel Álvarez
El biólogo inglés Sir Richard Owen ofreció una famosa conferencia en 1841 en la que dio a conocer la existencia, en un pasado remoto, de increíbles y gigantescas criaturas a las que nombró como “dinosaurios”, un término que, según su origen griego, significa “lagarto terrible”. Desde entonces, estos animales han fascinado a personas de todas las edades, quizás, porque dan la sensación de pertenecer a un mundo fantástico.
Hollywood también se ha inspirado en estos misteriosos reptiles y en 1993 estrenó la película Jurassic Park, del director Steven Spielberg, cuyo debut obtuvo una de las mayores recaudaciones de la historia del cine. Pero más que su cuantiosa taquilla, este filme ha marcado hitos por sus sorprendentes efectos especiales, tanto digitales como de animatronics, con los que se revivió a estos gigantes. “Es lo más cercano a un dinosaurio viviente que he visto en mi vida”, dijo el paleontólogo Jack Horner, quien asesoró a la producción.
En Jurassic Park, los dinosaurios volvían a la vida gracias a la clonación de células y a un mosquito del pleistoceno, fosilizado en ámbar, que aún contenía vestigios de la sangre de los gigantes. En la vida real, también los restos fósiles han permitido al mundo científico conocer sus remotos secretos. Uno de los grandes misterios es cómo se desenvolvían en su medio y cómo lograban sobrevivir ante las adversidades de su ecosistema. Por eso, una de las preguntas que persiste en torno a estos colosos es: ¿cuán inteligentes eran?
Un grupo de científicos de las universidades de Cambridge y Oxford, Reino Unido, liderados por Martin D. Braser, publicó en 2016 un estudio que podría dar respuesta a esta pregunta. El trabajo se hizo tras el descubrimiento de la cavidad craneal de un dinosaurio iguanodonte –un herbívoro de 10 metros de largo que vivió hace 133 millones de años–, de la cual se pudo rescatar el cerebro fosilizado. El hallazgo se hizo en una zona de sedimentos fluviales en Wealden, Reino Unido, y se trató de un hecho muy excepcional, ya que el cerebro y sus estructuras son altamente frágiles y propensas a la descomposición ante elementos como la tierra y el agua. Las condiciones para su conservación y fosilización son muy raras: el animal tuvo que morir y ser cubierto inmediatamente por barro y sedimentos como los del fondo de un río o de un lago para así quedar aislado del oxígeno y las bacterias que pudieran desintegrarlo. Pero incluso en estas condiciones, existía una gran probabilidad de que este tejido no se hubiera conservado.
En una primera etapa, los investigadores calcularon el Cociente de Encefalización, que estima la posible inteligencia de un animal. Este índice establece una relación entre el volumen de la cavidad craneal y el peso corporal. Los humanos tenemos la cifra más alta de todos, que oscila entre 7,4 y 7,8. Nos siguen los delfines con un índice cercano al 5,5.
Antes del hallazgo en Wealden, se estimaba que el cociente de los dinosaurios podría estar en 1,4, es decir un poco más que el de un perro. Esto se vio reforzado gracias a los descubrimientos del análisis del cerebro fosilizado, que demostró que estos enormes animales exhibían una inteligencia al menos superior a la de sus parientes vivos más cercanos, los cocodrilos modernos, los cuales se quedan atrás con un índice de 1. Pese a ello, los cocodrilos son capaces de realizar procesos sociales y de supervivencia complejos, como cuidar a sus crías, acción que pocos reptiles realizan.
La cavidad craneal del iguanodonte fue sometida a pruebas de microscopia electrónica y de tomografía computarizada (escáner usado en tratamientos médicos), las cuales permitieron revelar detalles hasta ahora inesperados sobre las meninges, tejidos membranosos que recubren las paredes del cerebro. Se observó, por ejemplo, que estas tenían similitudes con las de los cocodrilos. Además, se descubrió que la parte anterior del cerebro, donde está ubicado el hipotálamo, estaba bien definida y desarrollada, lo cual apoyaría la idea de que estos animales cuidaban de sus crías hasta una avanzada edad, posiblemente en parejas, y que vivían en grandes grupos.
Los análisis permiten aventurar que los iguanodontes incluso podían comunicarse por medio de la realización de vocalizaciones, como se ha demostrado en algunos descendientes del mismo grupo, los hadrosaurios o dinosaurios pico de pato, que tenían cavidades craneales que les permitían emitir este tipo de sonidos, lo que demuestra un nivel comunicativo mucho más complejo de lo esperado.
Estos descubrimientos revelan desconocidos rasgos de la vida de estos gigantes que poblaron nuestro planeta hace 200 millones de años. Saber más sobre la enorme diversidad de seres vivos que han habitado la Tierra ofrece una lección de humildad que nos recuerda que somos una especie más de las muchas que han prosperado en el mundo, durante el tiempo que les tocó vivir.
GLOSARIO:
Cociente de encefalización: es una estimación aproximada de la posible inteligencia de un animal. Se define como el cociente entre la masa del encéfalo y lo que se esperaría encontrar en un animal de similares dimensiones.
Hipotálamo: estructura cerebral que se localiza bajo del tálamo en el diencéfalo, entre ambos hemisferios cerebrales. Integra la información proveniente de diversas regiones cerebrales y la médula, participando en varias funciones, como: el control del flujo sanguíneo, la regulación del metabolismo energético, la reguilación de la actividad reproductiva y la regulación de los estados fisiológicos, como la temperatura, el ciclo de sueño, y otros.
¿Es posible revivir un cerebro?Felipe Tapia
El joven Víctor Frankenstein dejó a su cariñosa familia en Ginebra para viajar a Alemania a estudiar en la universidad de Ingolstadt. Allí se maravilló con la anatomía y la fisiología humana. Pasó días y noches investigando en osarios y panteones, hasta que un día, según su propio relato, descubrió “el origen de la generación y la vida”. Y se sintió capacitado para “dar vida a la materia inerte”. Acometió entonces la tarea de crear un nuevo ser a partir de los restos que había recogido para sus experimentos. Trabajó día y noche de modo infatigable durante casi dos años. Y una desapacible madrugada de noviembre, bajo la mortecina luz de una vela vio “cómo la criatura abría sus ojos amarillentos y apagados”.