viernes, 24 de marzo de 2017

Nuestro segundo cerebro: Neuronas en el intestino.

¿Sabía usted que tenemos neuronas en el intestino, y que su número es similar o superior al número de neuronas en el cerebro de un gato? 
El llamado "eje cerebro-intestino" es un tema cada vez más popular en la neurociencia. Algunos investigadores le llaman al intestino nuestro "segundo cerebro", y hay cada vez más teorías sobre el efecto que ejerce el estado de nuestro intestino en nuestro humor y nuestra conducta.

En noviembre del año pasado, escribí un artículo sobre este tema en The McGill Daily. Aquí la traducción al español:


Solemos pensar que las neuronas habitan únicamente en nuestro cerebro. Pero las neuronas que están dentro de nuestro cráneo representan sólo una parte del Sistema Nervioso, el Sistema Nervioso Central, que comprende al cerebro y a la médula espinal. Pero olvidamos que las prolongaciones de las neuronas de la médula espinal (axones) se extienden por todo nuestro cuerpo en forma de nervios,y que hay también grupos de neuronas en estructuras llamadas ganglios -no confundir con los ganglios linfáticos, o linfonodos, que se inflaman cuando tenemos, por ejemplo una infección. Se trata del Sistema Nervioso Periférico.

Parte del Sistema Nervioso Periférico trabaja de manera automática, involuntaria, y controla la mayoría de nuestros órganos vitales, como el corazón, los pulmones y el tracto gastrointestinal. Esta rama se llama Sistema Nervioso Autónomo, que incluye una estructura llamada plexo entérico, una serie de ganglios (grupos de cuerpos neuronales) que acompaña al tracto digestivo desde el esófago hasta el recto. Las neuronas entéricas secretan neurotransmisores para controlar la motilidad y el resto de las funciones digestivas. No olvidemos, además, que nuestro intestino tiene una decena de metros de largo, y aunque pensamos en el como algo radicalmente lejano y distinto al cerebro, es un hecho que tenemos alrededor de 500 millones de neuronas entre las capas de nuestro intestino. Esta es la razón por la que algunos científicos lo llaman "El segundo cerebro".

Nuestro cerebro se comunica con el intestino.
Estudiar la relación entre el cerebro y el sistema digestivo representó un hito interesante en la medicina alopática, en la que suele pensarse que la mente y el cuerpo tienen enfermedades independientes. Las enfermedades orgánicas, o físicas, se consideran más reales y merecedoras de atención que los problemas "psicológicos". Por ello, los problemas digestivos y el dolor abdominal serán tratados por un gastroenterólogo, mientras que la ansiedad y la depresión deberán ser tratados por un psiquiatra o psicoterapeuta, sin que exista necesatiamente un diálogo entre las dos líneas de atención médica.

Pero las enfermedades digestivas han sido las primeras en cumplir con un modelo "biopsicosocial" de la enfermedad, que considera la compleja interrelación entre el ambiente social de una persona, su vida psicológica -pensamientos y emociones- y el resto del cuerpo.

Cuando enfrentamos una situación estresante, en la que detectamos peligro, nuestro cuerpo reacciona haciéndonos sudar, dilatando nuestras pupilas e incrementando nuestro ritmo cardiaco y presión arterial para enviar más sangre a nuestros muslos. Esta respuesta evolutiva -a la que se refieren como "fight or flight" en inglés (lucha o huida) se orquesta en el cerebro y se manifiesta a través de la una rama de nuestro Sistema Nervioso Autónomo": La rama simpática. El estrés induce la liberación de adrenalina y otras hormonas que activan nuestros músculos y otros órganos para permitirnos reaccionar ante el peligro. Muchos hemos escuchado hablar de la adrenalina y sus efectos, pero poco se habla de la parte opuesta de la respuesta simpática: la rama parasimpática del Sistema Nervioso Autónomo, fundamental para muchas de las funciones del tracto gastrointestinal. Cuando se activa la función simpática, el balance entre las dos ramas se altera, y el plexo entérico del intestino es sensible al cambio. Así, el estrés psicológico modificará la sensación, motilidad y secreción de los intestinos.

Entendiendo estos conceptos, podemos ver por qué algunas condiciones como el Síndrome de Intestino Irritable (antes llamado Colitis Nerviosa) y algunos tipos de dolor abdominal son reconocido como disregulaciones del "eje cerebro-intestino": el conjunto de neuronas y axones que envían información entre estas dos estructuras. El eje cerebro-intestino está bajo el control del Sistema Nervioso Autónomo, y es un buen ejemplo de los efectos que tiene la respuesta de estrés -generada en el cerebro- en otros órganos del cuerpo. Por ello, la comunicación entre cerebro y neuronas del plexo entérico -nuestro "segundo cerebro"- se convirtió en una de las primeras explicaciones aceptadas por la ciencia médical del rol de los estados emocionales en nuestro sistema digestivo.

Entonces, ¿nuestros intestinos se comunican de vuelta con nuestro cerebro?
Asumir que nuestro cerebro se comunica con nuestro intestino puede parecer ahora lógico, pero sigue pareciéndonos contra-intuitivo aceptar lo contrario: que la actividad del tracto digestivo tiene un efecto en nuestras emociones y nuestra cognición. De cualquier modo, en nuestra vida diaría usamos expresiones como "mariposas en el estómago" para describir lo que sentimos cuando estamos nerviosos o algo "visceral" para hablar de sentimientos profundos, intuición o instinto. Y no es una coincidencia: todos hemos sentido las sensaciones abdominales que acompañan a los estados emocionales intensos, como si pudiéramos sentir cosas con nuestro intestino.
En el sistema nervioso la información no fluye en un sólo sentido, sino que suele ser circular; por eso usamos el término "circuitos neurales". En un circuito, cada estructura que envía una señal de ida recibe una de vuelta desde su objetivo. Y el eje cerebro-intestino no es la excepción. Aunque el plexo entérico tiene una serie de conexiones locales, que conectan las neuronas intestinales entre ellas para integrar algunos reflejos digestivos, muchas neuronas de este plexo enviaran información sobre el tracto gastrointestinal de vuelta al cerebro, donde parte de esta información será incluso integrada de forma consciente. Por ello tiene sentido que nuestro plexo entérico juegue un papel importante en las funciones cerebrales superiores, o funciones mentales, que antes pensábamos exclusivas del funcionamiento del Sistema Nervioso Central, como la cognición o las emociones.
En años recientes, el interés en la relación entre el cerebro y los intestinos se ha invertido. Ha habido un importante pico en la investigación que explora el rol del estado intestinal en nuestro cerebro. Curiosamente, el centro de esta línea de investigación se ha dirigido, antes que a las neuronas del plexo entérico, a un tercer ángulo fundamental para entender esta interacción: El ecosistema bacteriano que habita en nuestros intestinos.

El proyecto "Microbioma" humano.
Nuestros cuerpos son el hogar de trillones de microbios, fundamentales para el equilibrio biológico de los tejidos que habitan. Durante nuestra vida, cada órgano en contacto con el mundo exterior -nuestra piel, boca, nariz, ano, vagina así como los tractos respiratorios y gastrointestinales- será colonizado por microbios diferentes: algunos hongos y protozoarios, pero principalmente especies bacterianas. Desde 2007, los National Institutes of Health de Estados Unidos (NIH), lanzaron un proyecto para caracterizar y catalogar nuestra flora microbiana, llevando a un aumento en el cuerpo de experimentos que muestran el importante papel que juegan estos seres microscópicos en nuestra salud.
Entender el intestino como un ecosistema microbiano complejo es de crucial importancia para estudiar el eje cerebro-intestino. Aproximadamente, cien trillones de bacterias viven tan sólo en su parte distal. Y aunque algunas de estas bacterias están implicadas en procesos patológicos, la gran mayoría implican beneficios para nuestra salud. Además de proveer a las células intestinales con nutrientes esenciales, estos microbios nos ayudan a digerir y nos protegen de infecciones causadas por otros tipos de bacterias: La interacción entre las bacterias de nuestros intestinos y las celulas de nuestro sistema inmunitario es esencial para el mantener un equilibrio salud-enfermedad. El rol fundamental de la microbiota en nuestros intestinos y el la importancia del eje cerebro-intestino le da credibilidad biológica a una idea que hubiese podido considerarse absurda en visiones antiguas de la fisiología humana: Los microbios en nuestros intestinos influyen nuestros estados mentales.
La evidencia de esta interacción viene de distintas líneas de investigación animal. Algunos investigadores se han enfocado en alterar la flora intestinal para medir el impacto en el desarrollo del Sistema Nervioso Central. Por ejemplo, un grupo de la Universidad de Freiburg en Alemania estudió ratones que habían sido genéticamente modificados para que sus intestinos no tuviesen ningún microbio, para analizar la maduración de las células del Sistema Nervioso Central durante sus primeros años de vida. Sus experimentos mostraron que los ratones que no tenían flora intestinal tenían una mayor cantidad de "microglia", las células cerebrales encargadas de defender el sistema nervioso de infecciones (inmunidad cerebral). Un tercer abordaje ha sido dar probióticos -sustancias que nutren a los microbios de nuestros intestinos, por ejemplo, los Lactobacilos del Yakult, a algunos ratones con modelos experimentales de ansiedad y depresión, observando una mejora en los síntomas.
Cuando escribí el artículo del McGill Daily, añadí que los estudios en seres humanos no eran tan abundantes, y que aquellos que se habían hecho no eran consistentes, Dado que las modificaciones genéticas para alterar la microbiota humana no son posibles en humanos, la evidencia ha sido limitada a administrar probióticos y medir los síntomas de ansiedad y depresión. Hablaba de un estudio de 2014 en que Kristin Schmidt y otros investigadores de Oxford mostraron que la administración de probióticos reducía la liberación de cortisol, una de las hormonas secretadas en situaciones de estrés, pero que había pocos estudios que midieran el efecto de los probióticos en la conducta y el estado de ánimo. A principios de este 2017, una revisión sistemática hecha por investigadores de Queen University, en Canadá, reportó que, de los diez estudios encontrados que midieron el efecto de los probióticos en el estado de ánimo y la cognición de pacientes con ansiedad y depresión, la mayoría de ellos encontró efectos positivos en ssíntomas depresivos. Sin embargo, advierten al final del artículo que el tipo de probiótico, la dosis y la duración del tratamiento variaban ampliamente entre estudios, además de que ninguno de ellos midió el efecto en los patrones de sueño de los sujetos estudiados. La conclusión del estudio es que se necesitan estudios clínicos más rigurosos para poder aclarar este tema.´

Como aún estamos lejos de entender el complejo funcionamiento del eje cerebro-intestino-microbioma-sistema inmune, es prematuro saltar a conclusiones del rol de la flora intestinal en la saluda y enfermedad mental. En interacciones circulares como esta, es difícil separar una simple correlación de un vínculo causa-efecto. Pero el aimento reciente en la evidencia de distintas líneas de investigación sobre el eje microbioma-cerebro-intestino nos dice que es tiempo de empezar a aceptar que la función de nuestro sistema gastrointestinal está lejos de ser únicamente la digestión de comida. Del mismo modo en que asumimos que la actividad de nuestro cerebro afecta el funcionamiento de nuestro intestino, es momento de cambiar otro paradigma y considerar seriamente la investigación que sugiere que nuestro intestino y sus microbios tienen un rol importante en el funcionamiento de nuestro cerebro.
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Artículo original:
http://www.mcgilldaily.com/2016/11/the-gut-our-second-brain/
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Para más información:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28239408 - La revisón sistemática del 2015 sobre el efecto de los probióticos en síntomas ansiosos y depresivos
https://www.ted.com/talks/heribert_watzke_the_brain_in_your_gut?language=es -Ted Talk sobre el plexo entérico y su función.
http://ed.ted.com/on/QYCInPhE -Video de Ted-Ed sobre el microbioma.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3294167/ - Eje-cerebro-intestino, Síndrome de Intestino irritable y otras enfermedades relacionadas.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4155789/ - EL microbioma en edades tempranas - Salud y Enfermedad.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4367209/ - Eje cerebro intestino: interacciones entre microbiota intestinal, Sistema Nervioso Central y Plexo Entérico.
http://www.medscape.com/viewarticle/877238 - Lactobacillus en Depresión.

lunes, 20 de marzo de 2017

Pinceladas de inteligencia artificial: El perceptrón.

¿Conoce usted lo que es un perceptrón? ´
En Juga Cerebralia hicimos el ejercicio de intentar definir al perceptrón en términos simples. Aquí el resultado:
Un perceptrón es un modelo matemático de la neurona. Fue desarrollado en los años 50 y 60 por el científico Frank Rosenblatt. Constituye la forma más básica de las "redes neurales artificiales": modelos computacionales basados en el comportamiento del sistema nervioso.
En el  sistema nervioso, la neurona es la unidad básica de procesamiento. Algunas neuronas reciben información del exterior, por ejemplo las células de la retina que son estimuladas por la luz o las terminaciones nerviosas de las neuronas sensitivas, que tienen pequeños receptores para el tacto o el calor. Pero las neuronas de nuestro Sistema Nervioso Central (cerebro y médula espinal) reciben estímulos de otras neuronas, que les transmiten un mensaje en forma de cambios de voltaje. Cada neurona suma los estímulos eléctricos recibidos; sólo transmitirá el mensaje si la suma alcanza un "umbral" de potencial eléctrico, que hace que la electricidad se propague por su axón para así hacer sinapsis con otras neuronas. Si los cambios de voltaje inducidos por las otras neuronas no alcanzan el umbral, la neurona no disparará, ley que se conoce como "Ley del Todo o Nada".
Basado en esta idea, Frank Rosenblatt desarrolló su modelo matemático de procesamiento de información: Un perceptrón también recibe una señal de entrada (input) que puede venir de varias unidades.  Estas entradas se integran en una "unidad sumatoria" y dan un resultado que se expresa a través de una unidad de salida (output) que dará siempre 0 (inactivado), si la suma no alcanzó el umbral, o 1 si la suma alcanza o supera el umbral (activado). Así, un perceptrón reconocerá patrones en la información recibida para dividirla en dos clases (resultado 0 o resultado 1), según un algoritmo o regla de aprendizaje implementado en la "unidad sumatoria". Dependiendo del output, se ajustará el modo en que se procesan las entradas para obtener el resultado deseado (algo así como aprendizaje por ensayo y error). A raíz de este primer modelo, se han desarrollado formas más complejas de redes neurales con  perceptrones que tienen varias "capas" de uniones sumadoras (imitando los circuitos neuronales que están formados por varias neuronas que van integrando la información enviada por las neuronas que las preceden).


¿Y esto para qué sirve?
Las redes neurales son programas computacionales que utilizan para probar hipótesis de cómo se procesa información en el sistema nervioso y realizar tareas de inteligencia artificial.
El perceptrón simple funciona como un "clasificador lineal": detecta patrones, clasifica y hace asociaciones entre conjuntos de datos. Las formas más complejas de las redes neurales (perceptrón multicapa, backprop, redes convolucionales y el más reciente y prometedor: Deep Learning) están involucrados en software de reconocimiento de rostros, traductores y correctores automáticos (como google Translate), y muchas otras aplicaciones de la computación moderna.

¿Se entendió algo de lo que escribí? Conteste sí (1) o no (0).

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Para más información:

En inglés,

En español, 

http://avellano.fis.usal.es/~lalonso/RNA/introMLP.htm 

martes, 7 de marzo de 2017

La consciencia y tres neuronas de ratón.

En los últimos días, una noticia ha tenido un particular eco en el mundo de la neurociencia: El hallazgo de una neurona gigante que rodea el cerebro del ratón en su totalidad.
Con técnicas genéticas que hacen que las neuronas produzcan una proteína fluorescente cuando están expuestas a cierto medicamento, este equipo de investigación resaltó la trayectoria de diversas neuronas que vienen de una región cerebral llamada "claustro". El claustro está formado por sustancia gris, es decir, cuerpos neuronales, y sus axones (prolongaciones de las neuronas) viajan a diversas partes de la corteza cerebral.
El descubrimiento se hizo en el equipo de trabajo de Kristoff Koch, uno de los investigadores famosos por haber propuesto un modelo neurobiológico de la consciencia, es decir, una hipótesis basada en estructuras cerebrales de cómo es que percibimos las distintas sensaciones que nos provoca el mundo como una sola experiencia integrada que le sucede a un "yo".
Según Kristoff Koch, el claustro está relacionado con la experiencia consciente. Su deducción viene del hecho de que el claustro recibe y envía información de y a gran parte de la corteza cerebral. La mayoría de los modelos que buscan la base cerebral de la consciencia consideran que la experiencia consciente emerge de la interconexión y la comunicación de diversas zonas del cerebro. Hasta hoy, no existe una confirmación de que el claustro tenga un rol en la experiencia consciente, y el modelo de Koch se queda en la lista de espera junto a otras posibles explicaciones reduccionistas (que consideran que la consciencia puede explicarse simplemente mirando los circuitos cerebrales).

El alboroto alrededor de este reciente hallazgo surge precisamente porque la famosa neurona gigante y periférica que descubrió el equipo de Koch tiene su origen en el claustro. Por ello, este investigador lo considera evidencia de que esta estructura cerebral podría estar controlando las "entradas" y "salidas" de información de la corteza cerebral, generando una experiencia consciente. Pero para muchos otros investigadores, no es evidencia suficiente para sostener que el claustro sea la base cerebral de la consciencia, y lo valioso de este trabajo es más bien la capacidad de rastrear con precisión los trayectos de los axones neuronales y el descubrimiento de que una sola neurona pueda circundar el cerebro entero. Nuestro cerebro no sólo tiene miles de millones de neuronas, sino que está embebido en un cuerpo que se nutre del complejo mundo que lo rodea. ¿No es entonces un poco exagerado asumir que una neurona que rodea el cerebro nos dará la solución a un problema tan complejo como la consciencia?
La neurona que viaja lejos abrazando el cerebro del que emerge, emitiendo sinapsis en distintas zonas de la corteza, además de una imagen impresionante es un descubrimiento resultado de intenso trabajo y ciencia de la más alta calidad. Pero atribuirle a esta neurona parte de la generación de la experiencia consciente y creer que su descubrimiento nos ayuda a resolver un problema filosófico milenario no es más que una atractiva solución metafórica a un problema mucho más complejo que colorear con proteínas fluorescentes tres neuronas de ratón.

domingo, 5 de marzo de 2017

Juga cerebralia, un proyecto interactivo de divulgación

Juga cerebralia son las marcas que deja el cerebro en la superficie interior del cráneo. Del mismo modo que el ojo o el dedo humano recorren intrigados esas impresiones sobre la superficie ósea, las neurociencias hace un recorrido por distintas áreas -desde la biología molecular hasta la ciencia cognitiva- para intentar descifrar el funcionamiento del cerebro humano.
Utilizando técnicas de electrofisiología y neuroimagen y apoyadas por los hallazgos clínicos de la neurología, la psiquiatría y la neurocirugía, las neurociencias avanzan en la construcción de conocimiento con la esperanza de que algún día comprendamos nuestro cerebro más allá de meras impresiones.

Este blog es un espacio de divulgación de neurociencias, ciencias cognitivas y salud mental que busca tender un puente entre la investigación que se realiza en diversas áreas de la neurociencia y la cotidianidad de las personas interesadas en el modo en que nuestro cerebro produce nuestros comportamientos y reacciona a los estímulos del mundo exterior.

El objetivo de la página es que sea un foro abierto a la interacción; son bienvenidas discusiones, preguntas y sugerencias de temas a explorar. Aunque el punto es crear un foro de neurociencias en español, algunos de los links serán compartidos en inglés, puesto que parte de mi trabajo de divulgación está hecho en ese idioma.