CARTOGRAFÍA CEREBRAL: ¿Pueden localizarse las funciones neurológicas?

A finales del siglo XVII y principios de siglo XIX, el anatomista alemán Franz Joseph Gall convenció a buena parte de los científicos de que tocando los cráneos de las personas se podían encontrar prominencias que correspondían a áreas más desarrolladas del cerebro y, que esas prominencias correspondían a rasgos de personalidad y funciones mentales fácilmente localizables y palpables. Su idea era interesante, pero sus métodos eran especulativos y faltos de rigor científico, lo que le costó la expulsión de la Academia Francesa de la Ciencia.

Uno de sus principales enemigos, Marie-Jean-Pierre Flourens, postulaba en contradicción que no había localizaciones en la corteza cerebral, sino que funcionaba como un todo, fenómeno al que llamo "equipotencialidad cerebral". Éste fue el inicio de décadas de debates sobre si era posible localizar funciones específicas en el cerebro.

Estos debates parecieron llegar a su fin en 1861, cuando Paul Broca identificó el área de lenguaje siguiendo varios casos de pacientes que perdieron esta capacidad tras sufrir infartos en una zona del lóbulo frontal. Desde entonces, durante un siglo los médicos y científicos buscaron asignar nuevas funciones a otras áreas de la corteza, realizando una especie de "cartografía cerebral". En 1909, Korbinian Brodmann propuso un mapa con cerca de cincuenta áreas corticales, que ha fungido como método de referencia para entender nuestro cerebro durante más de un siglo.

Con los años, las ciencias del cerebro han refinado y detallado este mapa, pero de forma más importante, han concluido que no existe ninguna función que pueda asignarse a un área cerebral específica: La neurociencia moderna considera que las diferentes funciones cerebrales y no resultan de la actividad de una zona particular, sino de la conexión entre las distintas áreas, que forman circuitos o redes cerebrales de gran escala . En esta visión, una determinada área cerebral puede formar parte de distinas redes, y participar en distintas funciones.

De la localización a la distribución y de regreso, esta serie de anécdotas alrededor de uno de los más importantes debates de la neurociencia nos recuerdan que nuestro entendimiento del cerebro está en constante evolución.

Breviario cerebral por Juga cerebralia.

Crédito de imagenes
Frenología: Wikipedia
Áreas de Brodmann:

Derecha - Wikipedia. Izquierda - https://estudiodelcerebro.jimdo.com/about/

Redes cerebrales de gran escala: 
Derecha - Douglass Godwin y René Marois, viapsypost.com
Izquierda - Powell, et. al.: Functional network organization of the human brain. Artículo publicado en Neuron, 2011.

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CEREBRAL CARTOGRAPHY: Can neurological functions be localized?

At the end of the eighteenth century and the beginning of the nineteenth century, the German anatomist Franz Joseph Gall convinced many scientists that touching the skulls of people, one could find prominences that corresponded to more developed areas of the brain. According to his ideas, these prominences corresponded to personality traits and mental functions that we circumscribed and localized. Although his ideas of identifiable mental functions were interesting, his methods were speculative and lacked scientific rigor, which cost him the expulsion from the French Academy of Science.

One of its main enemies, Marie-Jean-Pierre Flourens, postulated in contradiction that specific functions did not have specific locations in the cerebral cortex, but rather that the cortex functioned as a whole, a phenomenon he called "cerebral equipotentiality". This was the beginning of decades of debates about whether it was possible to locate specific functions in the brain.

These debates seemed to come to an end in 1861, when Paul Broca identified the area of language following several cases of patients who lost their capacity to write and speak after suffering strokes involving an area of the frontal lobe. Since then, for a century, doctors and scientists have sought to assign new functions to other areas of the cortex, carrying out a type of "brain cartography". In 1909, Korbinian Brodmann proposed a map with about fifty cortical areas, which has served as a reference method to understand our brain for more than a century.

Over the years, the brain sciences have refined and detailed this map, but more importantly, they have concluded that there is no function that can be assigned to a specific brain area: Modern neuroscience considers that different brain functions do not result from the activity of a particular area, but of the connection between the different areas, which form circuits or large-scale brain networks. In this vision, a certain brain area can be a part of different networks, and thus participate in different functions.

From location to distribution and back, this series of anecdotes around one of the most important debates in neuroscience reminds us that our understanding of the brain is constantly evolving.

Cerebral breviary by Juga Cerebralia.

El pulpo y la consciencia

¿Por qué interesan los pulpos a los estudiosos de la consciencia? (O, ¿por qué deberían interesarnos a todos?)

La mayoría de los seres que muestran comportamientos complejos, aprendizaje y cognición sobre sí mismos son cercanas a los humanos desde el punto de vista biológico (todos son, como nosotros, mamíferos, desde chimpancés hasta delfines).
Incluso las aves, que también han mostrado comportamiento cuya inteligencia nos asombra, no son tan lejanas a nosotros. Pertenecen, junto con los mamíferos y otros grupos de animales, a los vertebrados. El último ancestro en común que tenemos con las aves es un reptil que vivió hace cerca de 320 millones de años.
Los reptiles comparten con nosotros no sólo su arquitectura (columna, cuatro extremidades, distribución del sistema nervioso), sino una serie de conductas básicas. Nuestro cerebro viene de la evolución del cerebro de este reptil, tanto así que cuando describimos nuestra neurofisiología hablamos de funciones cerebrales “reptilianas”.

En cambio, el último ancestro común que tenemos con los pulpos (o cefalópodos en general) es un pequeño gusano plano que vivió hace 600 millones de años, cuya conducta consistía en comer, reproducirse, morir.

El gran desarrollo mental del pulpo y su lejanía biológica con mamíferos o incluso con aves implica que la naturaleza generó comportamiento complejo (¿consciencia?) por dos caminos evolutivos radicalmente distintos.

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Breviario cerebral basado en la lectura de “The Octopus, The Sea and The Deep Origins of Consciousness” de Peter Godfrey Smith.

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Why are octopuses of interest to those who study consciousness? (Or, why should we all find them interesting?)

Most beings that show complex behaviors, learning and self-cognition are close to humans from the biological point of view (they are all, like us, mammals, from chimpanzees to dolphins).

Even birds, which have also shown behavior whose intelligence amazes us, are not so far away from us. They belong, together with mammals and other groups of animals, to vertebrates: The last common ancestor we have with birds is a reptile that lived about 320 million years ago.

The reptiles share with us not only their architecture (column, four extremities, distribution of the nervous system), but a series of basic behaviors. Our brain comes from the evolution of the brain of this reptile, so much so that when we describe our neurophysiology we talk about "reptilian" brain functions.

In contrast, the last common ancestor we have with octopi (or cephalopods in general) is a small flat worm that lived 600 million years ago, whose behavior consisted of eating, reproducing and dying.

The great mental development of the octopus and its biological remoteness with mammals or even with birds implies that nature generated complex behavior (consciousness?) By two radically different evolutionary paths.

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Cerebral breviary based on the reading of "The Octopus, The Sea and The Deep Origins of Consciousness" by Peter Godfrey Smith.

The Beautiful Brain

Santiago Ramón y Cajal, médico y patólogo español, ganó el premio Nobel en 1906 por ser el primero en postular la neurona como unidad básica del sistema nervioso, basado en sus observaciones y tinciones de tejido cerebral. Compartió el premio con Camilo Golgi, quien diseñó la tinción con la que Cajal pintaba las neuronas observadas, y la recepción del premio fue un intenso debate, pues Golgi consideraba aún que el tejido nervioso era una red continua, sin células unitarias identificables.

En 1894, Cajal escribió: "La corteza cerebral semeja un jardín poblado de innumerables árboles, las células piramidales, que gracias a un cultivo inteligente pueden multiplicar sus ramas, hundir más lejos sus raíces y producir flores y frutos cada día más exquisitos"

Ramón y Cajal, además de ser un médico y científico ejemplar, tenía grandes dotes artísticas y verbales.

Fotos: "The Beautiful Brain: The Drawings by Santiago Ramón y Cajal", libro en que Larry W. Swanson ,‎ Eric Newman,‎ Alfonso Araque y‎ Janet M. Dubinsky compilan los dibujos de Ramón y Cajal, con algunos de los fragmentos de sus textos.

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Santiago Ramón y Cajal, Spanish physician and pathologist, won the Nobel Prize in 1906 for being the first to postulate the neuron as the basic unit of the nervous system, based on his observations and staining of brain tissue. He shared the prize with Camilo Golgi, who invented the histological staning with which Cajal painted the observed neurons . The reception of the prize was an intense debate, because Golgi still considered that the nervous tissue was a continuous network, without identifiable unitary cells.

In 1894, Cajal wrote: “The cerebral cortex is similar to a garden filled with innumerable trees, the pyramidal cells, that can multiply their branches thanks to an intelligent cultivation, sending their roots deeper and producing more exquisite flowers and fruits every day.” 
Ramón y Cajal, besides being an exemplary physician and scientist, had great artistic and verbal skills.

Photos: "The Beautiful Brain: The Drawings by Santiago Ramón y Cajal", book in which Larry W. Swanson, Eric Newman, Alfonso Araque and Janet M. Dubinsky compile the drawings of Ramón y Cajal, with some of the fragments of your texts.

Penfield y el cuerpo dentro del cerebro // Penfield and the body inside our brains

¿Sabes qué es este curioso hombrecillo y por qué está así de desproporcionado?

Una de las maneras de estudiar el cerebro es a través de sus patologías. El neurocirujano canadiense Wilder Penfield tenía una forma peculiar de hacerlo, a través de la cirugía experimental. Algunos de sus pacientes accedían a sus
protocolos en que les operaba sin anestesia general, de modo que estaban despiertos durante el procedimiento. Durante las cirugías, Penfield estimulaba distintas partes del cerebro, induciendo “ataques experimentales”. Estimulando la corteza frontal o motora, los pacientes movían diferentes partes del cuerpo; y Penfield hizo así un mapa de las neuronas de nuestra corteza cerebral destinadas a cada parte del cuerpo. Después hizo lo mismo con la corteza sensitiva, pidiendo a los pacientes que describieran qué parte del cuerpo sentían hormiguear.
El hombrecillo de abajo, llamado "homúnculo de Penfield" es una representación visual del "cuerpo dentro del cerebro", es decir de la localización de nuestra anatomía en la corteza cerebral. Las partes del cuerpo de mayor tamaño son aquellas a las que están destinadas más neuronas de nuestra corteza. En el caso del homúnculo motor, vemos que una gran cantidad de neuronas están destinadas a mover las manos, al igual que los labios y la boca.
El homúnculo sensorial sigue el mismo principio, pero representa las neuronas que dan sensibilidad al cuerpo. Podemos ver, por ejemplo, que este homúnculo tiene orejas y genitales (que son altamente sensibles), mientras que ambos están ausentes en el homúnculo motor (pues su movimiento es nulo o limitado).
Cuarto breviario cerebral cortesía de Juga cerebralia.

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Do you know what this curious little man is and why is he so disproportionate?

One of the ways to study the brain is through its pathologies. Canadian neurosurgeon Wilder Penfield had a peculiar way of doing it, through experimental surgery. Some of his patients agreed to participate in his protocols in which he operated without general anesthesia, so that they were awake during the procedures. During the surgeries, Penfield stimulated different parts of the brain, inducing what he called "experimental attacks". By stimulating the frontal or motor cortex, patients moved different parts of the body; and Penfield made a map of the neurons of our cerebral cortex destined for each part of the body. Then he did the same with the sensory cortex, asking patients to describe which part of the body they felt tingling.
The little man below, called "Penfield's homunculus" is a visual representation of the "body inside the brain," that is, the location of our anatomy in the cerebral cortex. The larger parts of the body are those to which more neurons in our cortex are destined. In the case of the motor homunculus, we see that a large number of neurons are designated to move the hands, as well as the lips and mouth.
The sensory homunculus follows the same principle, but represents the neurons that give sensitivity to the body. We can see, for example, that this homunculus has ears and genitals (which are highly sensitive), while both are absent in the motor homunculus (since their movement is null or limited).
Fourth cerebral breviary courtesy of Juga cerebralia.

Imágenes/Images:
1. 3D model of sensory and motor humuncili" - Modelo 3D de los homúnculos sensorial y motor, de la colección del museo de historia natural de Londres.
2. “Original diagram of the sensory and motor homunculi - Diagrama original de los homúnculos sensorial y motor (Penfield & Rasmussen, 1950)”

Autismo y Neurociencia

¿Qué es el espectro autista? ¿Cómo se estudia desde la neurociencia?

Escribí en el McGill Daily sobre innovadoras técnicas de neuroimagen que se utilizan actualmente para estudiar el momento en que los cerebros de los niños con trastornos del espectro autista empiezan a funcionar de modo distinto. Pronto, la traducción a español en este blog. 

Crédito de imagen: Claire Grenier, The McGill Daily

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My latest article in the McGill Daily speaks about some cutting-edge neuroimaging techniques being used at McGill to study when the brains of children with autistic spectrum disorders start to function differently.

"So far, the question remains: where and when in this long series of steps do autistic children’s brains start to function differently? Do they have trouble with attending to and organizing what we receive through our five senses? Or is their condition related to more complex functions, such as combining the information and analyzing it?"

https://www.mcgilldaily.com/2017/10/connecting-dots-in-autism-research/

Del flujo iónico al movimiento

"Y así se genera el movimiento animal: no por medio del aire, 

como pensaban los jónicos, ni por una psique inmaterial, 

como pensaban los idealistas, sino por un flujo iónico".

-J. Allan Hobson.

Sabemos que las neuronas son células que se comunican entre sí a través de estímulos eléctricos que inducen la liberación de pequeñas sustancias químicas llamadas neurotransmisores. Pero, ¿cómo se genera la electricidad que transmite los mensajes del cuerpo de una neurona hasta otra -que puede estar a muchos centímetros de distancia- a través de la prolongación neuronal o axón?
Las membranas de todas nuestras células tienen proteínas en forma de canales o poros que dejan pasar iones, algunos con cargas positivas y otros con cargas negativas. Sodio, Potasio, Cloro y Calcio son algunos de los elementos que atraviesan estos canales, cambiando el balance de cargas posititvas y negativas dentro y fuera de la célula. Este cambio de potencial eléctrico, activa nuevos canales a lo largo del axón, provocando una reacción en cadena que generará la corriente eléctrica que recorre el axón hasta llegar a la punta del axón o botón sináptico. Allí, la electricidad inducirá la liberación de neurotransmisores que una vez fuera del axón, activarán los receptores de la siguiente neurona, o, en el caso del movimiento, a la placa neuromuscular, que inicia la contracción del músculo.

Tercer Breviario cerebral por Juga cerebralia. Video via ratemyscience.com

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"And so that's how animal movement is generated: 
not through air,as the Ionians thought,
 or through an immaterial psyche, as the idealists 
thought, but through an ionic flow ".

-J. Allan Hobson.

We know that neurons are cells that communicate with each other through electrical stimuli that induce the release of small chemicals called neurotransmitters. But how is the electrical energy that transmits messages from the body of one neuron to another -which can be many centimeters away- generated?

The membranes of all our cells have proteins in the form of channels or pores that allow ions to pass, some with positive charges and others with negative charges. Sodium, Potassium, Chlorine and Calcium are some of the elements that cross these channels, changing the balance of positive and negative charges inside and outside the cell. This change of electrical potential activates new channels along the axon, causing a chain reaction that will generate the electric current that runs through the axon, until it reaches the tip of the axon or synaptic button. There, electricity will induce the release of neurotransmitters that once outside the axon, will activate the receptors of the next neuron, or, in the case of movement, the neuromuscular plate, which initiates the contraction of the muscle.

Third Brain Breviary by Juga Cerebralia. Video via ratemyscience.com

¿Qué es el cableado cerebral?

Continuamente escuchamos hablar del "cableado" cerebral. El conexionismo es un acercamiento teórico a la mente humana que tuvo su apogeo en los años 80s y que se interesa en el patrón de conexiones entre unidades funcionales. Ha sido muy útil para estudiar y entender el funcionamiento cerebral. En este video, creado por científicos de la universidad de Cardiff, vemos las "fibras" que conectan unas regiones del cerebro con otras. Pero, ¿qué son exactamente estas fibras? ¿cómo entender el cableado cerebral en términos biológicos?

Las neuronas fungen como mensajeros: se comunican entre ellas a través de estímulos eléctricos y la liberación de pequeñas sustancias químicas llamadas neurotransmisores. Cada punto donde se conectan estas neuronas se llama “sinapsis”. Para poder hacer sinapsis con otras neuronas que están en otro punto del cerebro, las neuronas necesitan de sus axones, prolongaciones del cuerpo neuronal que atravesarán grandes distancias para transmitir impulsos eléctricos (llamados potenciales de acción) hasta neuronas lejanas. Para facilitar la transmisión de electricidad, la mayoría de los axones están recubiertos de una sustancia rica en grasa llamada mielina.

La mielina recubre los axones como el plástico recubre los cables metálicos: Aísla la fibra nerviosa, la protege, y acelera la conducción del impulso eléctrico o potencial de acción. Por ser rica en sustancia grasa, tiene una consistencia espesa y un color blanquecino. A los axones recubiertos de mielina se les llama "sustancia blanca", y las nuevas tecnologías de neuroimagen pueden fotografiarla y mostrarla en las imágenes que vemos en el video. Conocer la base estructural de las conexiones neuronales a gran escala nos permite hacer inducciones sobre el flujo de información en esta gran máquina biológica dentro de nuestras cabezas, y nos ayuda también a entender cómo puede alterarse el funcionamiento del cerebro en algunas enfermedades que no tienen lesiones localizadas fácilmente identificables, sino que afectan la comunicación entre neuronas lejanas.

Segundo Breviario Cerebral cortesía de Juga cerebralia. Video via BBC News.

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We continually hear about brain "wiring". Connectionism is a theoretical approach to the human mind that had its apogee in the 80s. It attemmpts to explain brain function in terms of the pattern of connections between functional units. It has been very useful to study and understand brain functioning. In this video, created by scientists from the University of Cardiff, we see the "fibers" that connect some regions of the brain with others. But what exactly are these fibers? How to understand brain wiring in biological terms? Neurons act as messengers: they communicate with each other through electrical stimuli and the release of small chemicals called neurotransmitters. Each point where these neurons are connected is called "synapse". To be able to synapse with other neurons that are in another part of the brain, neurons need their axons, neuronal body extensions that will travel great distances to transmit electrical impulses (called action potentials) to distant neurons. To facilitate the transmission of electricity, most axons are coated with a substance rich in fat called myelin. Myelin covers axons as plastic covers metal wires: It isolates and protects the nerve fiber, and it facilitates the conduction of each electrical impulse or action potential. Because it is rich in fatty substance, it has a thick consistency and a whitish color. This is why myelin-coated axons are called "white matter". New neuroimaging technologies can photograph and display white matter in the images we see in this video. Knowing the structural basis of large-scale neuronal connections allows us to make inductions about the flow of information in this great biological machine inside our heads, and it also helps us to understand how brain functioning can be altered in some diseases that do not have lesions located easily identifiable, but affect the communication between distant neurons. Second Cerebral Breviary of Juga cerebralia. Video via BBC News.

Breviario Cerebral - ¿Tamaño cerebral o cuenta neuronal?

El cerebro humano tiene un total aproximado de 86 mil millones de neuronas, de las cuales, 69 mil millones están en el cerebelo, esa protuberancia en la parte posterior que nos permite coordinar el movimiento. La corteza cerebral, ese tapiz plegado que forma la superficie de nuestro cerebro y que funge como el asiento de nuestras más sofisticadas funciones mentales (auto-consciencia, lenguage, pensamiento abstracto) tiene dieciséis mil millones de neuronas. Mil millones de neuronas más se encuentran en el tronco cerebral, que orquesta las funciones viscerales y coordina nuestro ciclo sueño vigilia, entre otras cosas.
El cerebro de un elefante, en cambio, tiene 251 mil millones de neuronas en su cerebelo, con las que dirige su gigantesco tronco, y tan sólo 5.6 mil millones en la corteza.

Cuando hablamos del cerebro, el tamaño no indica gran cosa. Es la distribución de las neuronas en la corteza, en el cerebelo, o en los centros funcionales del tronco cerebral y sus conexiones lo que determinará cómo funciona el cerebro de un animal u otro. En el caso del cerebro humano, es la proporción de neuronas en nuestra corteza cerebral la que nos diferencia.

Primer breviario cerebral de Juga Cerebralia. Imagen y texto traducidos y adaptados de Quanta Magazine: https://www.quantamagazine.org/how-humans-evolved-supersiz…/

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The human brain has a approximate of 86 billion neurons.  From that number, 69 billion are in the cerebellum, the protrusion in the back of our brains that allows us to coordinate movement. The cerebral cortex, that folded carpet that forms the surface of our brain and that serves as the seat of our most sophisticated mental functions (self-consciousness, language, abstract thought) has sixteen billion neurons. One more billion neurons are found in the brainstem, which orchestrates visceral functions and coordinates our sleep-wake cycle, among other things.

The brain of an elephant, on the other hand, has 251 billion neurons in its cerebellum, with which it directs its gigantic trunk, and only 5.6 billion in the cortex.

When we talk about the brain, size does not indicate much. It is the distribution of neurons in the cortex, in the cerebellum, or in the functional centers of the brainstem and their connections that will determine thw works of one animal or another. In the case of the human brain, it is the proportion of neurons in our cerebral cortex that differentiates us from the rest.

First cerebral breviary of Cerebralia. Image  translated and adapted from Quanta Magazine: https://www.quantamagazine.org/how-humans-evolved-supersiz…

Apuntes sobre Creatividad y Cerebro

¿Cuáles son los mecanismos cerebrales de la creatividad? ¿Puede una máquina ser creativa? Estas preguntas motivaron una serie de dos artículos sobre la Creatividad en El Cultural, suplemento del periódico La Razón. 

El primero es una entrevista con el académico y científico cognitivo Stevan Harnad, en el que responde a preguntas sobre la creatividad, cómo definirla y sobre la posibilidad de crear algoritmos creativos: 

"La inteligencia artificial ha logrado resolver tareas cada vez más complejas, antes reservadas únicamente para el raciocinio humano. A partir de programas computacionales construidos en base a algoritmos —series de pasos a seguir para obtener un resultado—, la inteligencia artificial permite a las máquinas detectar patrones y clasificar la información que reciben. Las nuevas formas de inteligencia artificial están diseñadas de modo que refuerzan aquellas operaciones que llevan a un resultado correcto y debilitan aquellas que no llevan al resultado ideal. Así, algunos algoritmos mejoran su desempeño al pasar el tiempo y evitan errores futuros mediante ensayo y error. Hablamos del “aprendizaje automático” (o Machine Learning en inglés), que ha logrado hazañas como el reconocimiento de rostros, la traducción y la corrección automáticas y la visión por computadora.

Para algunos, este es el momento de empezar a preguntarse qué tan cerca está el aprendizaje del que son capaces las máquinas de producir resultados que se asemejen o superen a los del ser humano. En este contexto, las preguntas del periodista Will Knight a Stevan Harnad fueron: “¿qué opina usted de los esfuerzos de Google por construir algoritmos ‘creativos’? ¿cuál es la posibilidad de que esto suceda? y ¿en qué consistirían estos esfuerzos?” Les compartimos las respuestas del doctor Harnad:"

Para ir al artículo completo y leer la entrevista, clic aquí:  Creatividad, algoritmos y “aprendizaje profundo”

2. El segundo artículo es una travesía por los estudios neurocientíficos que han intentado entender el asiento cerebral de la creatividad. 

¿Qué tan cierto es que la creatividad está relacionada con el hemisferio derecho? ¿Existen áreas cerebrales relacionadas con el proceso creativo?  ¿Qué es lo que sucede en el cerebro, esa compleja máquina biológica dentro de nuestras cabezas, cuando una idea poco común estalla para convertirse en una obra de arte, o un postulado científico que cambia el rumbo de la humanidad? 
La creatividad es un fenómeno complejo, cuya diversidad y espontaneidad limitan su estudio sistemático por parte de los neurocientíficos, quienes se han acercado a él desde dos perspectivas: la de las lesiones cerebrales que afectan o fomentan la creatividad en los pacientes que las padecen, y la de los estudios sistemáticos de la resolución de problemas y la improvisación, apoyados en los últimos años por métodos de imagen cerebral.



Para leer el artículo completo, clic aquí:  Creatividad y neurociencia

Neuronas en el intestino: ¿Un segundo cerebro?

¿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:

Imagen:  Lucie Coderc, del McGill Daily

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.

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,

http://neuralnetworksanddeeplearning.com/chap1.html 
http://www.cs.stir.ac.uk/courses/ITNP4B/lectures/kms/2-Perceptrons.pdf

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

https://jarroba.com/introduccion-a-las-redes-neuronales-el-perceptron-video/

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.

-Dar clic aquí para el link del artículo de Nature -

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.

----- ¿Interesado en leer más? Aquí algunos links de interés: What is the claustrum?
Neurobiological theories of consciousness Why is consciousness so complex? More on consciousness (Summer institute on cognitive science)

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.