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Las neuronas ya tienen un "DNI eléctrico"

Una nueva investigación ha realizado un catálogo eléctrico de las poblaciones de neuronas del hipocampo, lo que podría ser útil para acelerar la detección de patologías neurológicas como la epilepsia y el alzhéimer. Hasta ahora, el registro de la actividad cerebral se llevaba a cabo mediante electroencefalogramas

Cada estímulo exterior o pensamiento genera una actividad cerebral concreta que se expresa a través de la activación de determinados grupos de neuronas. En función del estímulo, estos grupos de células ejecutarán un patrón distinto de activación.

Una investigación liderada por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha logrado reconocer la actividad eléctrica de cada grupo de neuronas del hipocampo y generar un catálogo que permite diferenciarlas en función del proceso cerebral que se esté llevando a cabo.

Hasta ahora, el registro de la actividad cerebral se llevaba a cabo mediante electroencefalogramas. “Esta técnica es escasamente útil ya que, aunque recoge impulsos eléctricos neuronales, es incapaz de informar sobre qué grupos de neuronas entran en acción en cada circunstancia ni cómo se coordinan”, explica Óscar Herreras, del Instituto Cajal.

Herreras compara los datos aportados por los electroencefalogramas con “madejas de hilo compuestas por hebras de distintos colores”. “Nuestro trabajo ha logrado separar cada una de esas hebras”, añade.

El equipo de expertos, que previamente desarrolló la técnica de análisis y que publica el nuevo avance en la revista Cerebral Cortex, ha logrado identificar los distintos grupos neuronales que se activan en el hipocampo de las ratas de laboratorio (Rattus norvergicus).

Para ello, se implantaron dispositivos multielectrodo en el cerebro de los animales, lo que generó el registro de hasta 96 regiones de su hipocampo. Mediante el análisis matemático, y la aplicación de compuestos químicos cerca de las zonas de registro, ha sido posible discriminar la actividad de cada grupo de neuronas en función del estímulo recibido.

Por ello, a partir de ahora la actividad neuronal podrá ser monitorizada sin necesidad de estímulos, sea cual fuere la tarea que se esté ejecutando.

Detectar patologías

Para Herreras, este etiquetado eléctrico de las distintas poblaciones neuronales puede ser “una herramienta muy útil para el diagnóstico temprano de neuropatologías como el alzhéimer, el párkinson y la epilepsia”.

Los electroencefalogramas nos dan pistas sobre la presencia de estas dolencias, ya que ofrecen un registro de la actividad cerebral alterado con respecto al de un cerebro sano. Según los autores, “gracias al catálogo desarrollado, a partir de ahora será mucho más fácil discernir qué región del cerebro está actuando de forma anómala”.

Referencia bibliográfica: N. Benito, A. Fernández-Ruiz, V.A. Makarov, J. Makarova, A. Korovaichuk and O. Herreras. “Spatial Modules of Coherent Activity in Pathway-Specific LFPs in the Hippocampus Reflect Topology and Different Modes of Presynaptic Synchronization”. Cerebral Cortex. DOI: 10.1093/cercor/bht022

Fuente: Sinc. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Los cartógrafos del cerebro que han interesado a Obama

En febrero, New York Times anunció la intención de la administración Obama de impulsar con financiación el proyecto Brain Activity Map, coliderado por el español Rafael Yuste. De hacerse realidad, este mapa exhaustivo de todas y cada una de las conexiones neuronales servirá para comprender cómo funciona y por qué deja de funcionar el cerebro

En las últimas semanas, el neurocientífico Rafael Yuste (Madrid, 1963) no ha parado de tuitear enlaces de noticias sobre su proyecto en The New York Times, la revista Wired e incluso en la web satírica The Onion, el equivalente a El Mundo Today estadounidense.

Yuste colidera desde la Universidad de Columbia, en Nueva York, el proyecto Brain Activity Map (BAM, por sus siglas en inglés), con el que investigadores de todo el mundo pretenden trazar un mapa exhaustivo del cerebro humano, detallando una a una todas las conexiones neuronales.

Ahora la revista Science destaca en su último número la importancia de esta colaboración internacional, en un artículo donde los principales investigadores ofrecen una perspectiva sobre los retos del proyecto, que comenzará este año.

Si este mapa del cerebro, que aún ni siquiera existe, está atrayendo tanta atención es porque a mediados de febrero fue tocado por la varita mágica de la Casa Blanca. Como informaba New York Times, el Gobierno de EE UU lo calificó como uno de los proyecto más prometedores de los próximos años. El propio Obama declaró que el BAM es un ejemplo de “cómo el Gobierno debe invertir en las mejores ideas”.

“Este proyecto tendrá repercusiones clínicas y económicas”, asegura a SINC Rafael Yuste. Dentro de la gran obra global que es el BAM, su equipo de investigación es el responsable de “desarrollar técnicas para mapear la actividad neuronal, controlar esta actividad y analizarla mediante bases de datos”, explica. Emplearán métodos ópticos, microscopios con láseres infrarrojos, y abordajes electrofisiológicos y anatómicos.

Por su ambición, el Brain Activity Map recuerda al Proyecto Genoma Humano. Mapear y manipular todas las neuronas del cerebro exigirá un batallón de científicos de numerosos laboratorios y países. Además, las actividades económicas que generará BAM serán comparables a las producidas por el proyecto del genoma humano, donde cada dólar invertido acabó generando 141, según la fundación Batelle.

Gigantes empresariales como Google y Microsoft han participado en la planificación de lo que se espera que sea una colaboración internacional y abierta entre científicos, ingenieros y teóricos, a través de las academias y la industria. Gracias a este esfuerzo, en cinco años sería posible monitorizar –y quizás controlar– decenas de miles de neuronas, y en quince este número aumentaría hasta el millón de neuronas.

Los científicos del Brain Activity Map –entre los que hay neurobiólogos, genéticos, físicos e ingenieros– son entusiastas respecto a los futuros resultados de su megaproyecto. Confían en que, al entender cómo funciona el ‘circuito’ del cerebro, se pueda utilizar para diagnosticar y tratar enfermedades neuronales como epilepsia, depresión esquizofrenia y autismo, reparar las funciones perdidas tras un infarto.

“Es probable que muchas de las enfermedades mentales y neurológicas se deban a problemas específicos con la actividad conjunta de muchas neuronas y grupos de neuronas. Poder capturar toda la actividad y manipularla podrá dar lugar a nuevos métodos de diagnóstico y a nuevas terapias”, explicaba Yuste a SINC en diciembre de 2012, cuando fue elegido por Nature como uno de los cinco científicos que darían que hablar este año.

Problemas éticos y de almacenamiento

No obstante, una iniciativa de tal envergadura –las neuronas del cerebro humano se estiman en unos 100 mil millones– también desata críticas. Este mismo año, un grupo de científicos advirtió de las dificultades técnicas para almacenar las enormes cantidades de información que se generarían cada año.

Hay que tener en cuenta que el LHC de Ginebra produce diez petabytes –cada petabyte equivale a un millón de gigabytes– de datos cada año, mientras que todas las neuronas de un cerebro generarían unos 300.000 petabytes anuales.

Por otra parte, otros científicos señalan las complicaciones éticas de un proyecto que pretende leer y controlar neuronas, así como el dilema de qué hacer con la información, que, según los científicos del BAM, debería ser pública.

Referencia bibliográfica: A. Paul Alivisatos, Miyoung Chun, George M. Church, Karl Deisseroth, John P. Donoghue, Ralph J. Greenspan, Paul L. McEuen, Michael L. Roukes, Terrence J. Sejnowski, Paul S. Weiss, Rafael Yuste. «The Brain Activity Map«. Sciencexpress 7 marzo 2013; 10.1126/science.1236939

Fuente: Sinc. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Las células de soporte del cerebro humano vuelven más inteligentes a los ratones

Las células gliales, una familia de células que se encuentran en el sistema nervioso central humano, hasta hace poco consideradas meras «amas de casa», ahora parecen ser esenciales para la complejidad única del cerebro humano. Los científicos llegaron a esta conclusión después de demostrar que cuando se trasplantaron en ratones, estas células humanas habrían influido en la comunicación dentro del cerebro, lo que permitió a los animales aprender más rápidamente.

El estudio, realizado hoy en la revista Cell Stem Cell, sugiere que la evolución de un subconjunto de células gliales llamadas astrocitos —que son más grandes y más complejas en los seres humanos que otras especies— puede haber sido uno de los principales acontecimientos que condujeron a la funciones cognitivas superiores que nos distinguen de otras especies.

«Este estudio indica que las glías no sólo son esenciales para la transmisión nerviosa, sino que también indica que el desarrollo de la cognición humana puede reflejar la evolución de la forma y función gliales específicas en los humanos», dijo el neurólogo Steven Goldman, MD, Ph.D., del Medical Center la Universidad de Rochester (URMC), co-autor principal del estudio. «Creemos que esta es la primera demostración de que las células gliales humanas tienen ventajas funcionales únicas. Este hallazgo también nos aporta un modelo totalmente nuevo para investigar una serie de enfermedades en las que estas células pueden desempeñar un papel».

En los últimos años los científicos han comenzado a entender y apreciar el papel que juegan las células glíales —y más específicamente los astrocitos— en la función cerebral. Investigadores de URMC fueron pioneros en descubrir los secretos de los astrocitos y en demostrar que no sólo sirven para sostener las neuronas en el cerebro, sino que también se comunican con las neuronas y entre sí.

«El papel de los astrocitos es proporcionar el ambiente perfecto para la transmisión neural», dijo Maiken Nedergaard, MD, DMSc., co-autor principal del estudio y director, junto con Goldman, del Centro para Neuromedicina Traslacional de la URMC. «Al mismo tiempo, hemos observado que a medida que estas células han evolucionado en complejidad, tamaño y diversidad —como lo han hecho en los seres humanos— las funciones del cerebro se vuelven cada vez más complejas».

Los astrocitos son mucho más abundantes, más grandes y diversos en el cerebro humano en comparación con otras especies. En los seres humanos, los astrocitos individuales proyectan fibras que pueden conectarse simultáneamente con un gran número de neuronas, y en particular con las sinapsis, los puntos de comunicación en el que se unen dos neuronas adyacentes. Como resultado, los astrocitos humanos individuales pueden coordinar, potencialmente, la actividad de miles de sinapsis, mucho más que en los ratones.

Fue esta observación que indicó que los astrocitos humanos pueden jugar un papel significativo en la integración y coordinación de la actividad de señalización más compleja que se encuentra en el cerebro humano, y por lo tanto ayudan a regular nuestras funciones cognitivas superiores. Esto a su vez sugiere que, cuando se trasplantan en ratones, las células humanas pueden influir en los patrones básicos de la actividad neuronal.

«En un sentido fundamental, son diferentes de las especies inferiores», dijo Goldman. «Nuestras capacidades avanzadas de procesamiento cognitivo existen no sólo por el tamaño y la complejidad de nuestras redes neuronales, sino también por el aumento en las capacidades funcionales y de coordinación que ofrece la glia humana».

«Siempre he encontrado un poco simple el concepto de que el cerebro humano es más capaz porque tenemos redes neuronales más complejas, porque si pones juntos toda la red neural y la totalidad de su actividad todo termina en una super computadora», dijo Nedergaard. «Pero la cognición humana es mucho más que un simple procesamiento de datos, está también [compuesta] de la coordinación de las emociones con la memoria, que informa nuestras habilidades superiores de abstracción y de aprendizaje».

El equipo de investigación decidió determinar si las células gliales humanos podrían proporcionar al cerebro humano capacidades únicas observando qué ocurría cuando se permitió coexistir a estas células con las células nerviosas normales de ratones. Los científicos primero aislaron progenitoras humanas —las células gliales en el sistema nervioso central que dan lugar a astrocitos— a partir del tejido cerebral. A continuación, estas células fuern transplantadas en el cerebro de ratones recién nacidos. Cuando los ratones maduraron, las células gliales humanas desplazaron a las células gliales nativas, dejando al mismo tiempo la red neuronal existente intacta.

«Las células gliales humanos esencialmente se asentaron hasta el punto en el que prácticamente todas las células progenitoras gliales y una gran proporción de los astrocitos en los ratones eran de origen humano, y esencialmente se desarrollaron y se comportaron como lo harían en el cerebro de una persona,» dijo Goldman.

Posteriormente, el equipo se propuso examinar qué repercusión funcional tenían estas células en el cerebro de los animales, en particular la velocidad y la retención de las señales entre las células del cerebro y su plasticidad, la capacidad del cerebro para formar nuevos recuerdos y aprender nuevas tareas.

Encontraron que dos importantes indicadores de la función cerebral mejoraron drásticamente en los ratones con células de humano. En primer lugar, al medir un fenómeno llamado onda de calcio —la velocidad y la distancia a la que una señal se propaga dentro de y entre los astrocitos adyacentes en el cerebro— los investigadores observaron que la velocidad de transmisión de la onda en los ratones trasplantados era más rápida que lo que normalmente se observa en los ratones , y más parecida a la de tejido cerebral humano.

En segundo lugar, los investigadores también observaron la potenciación a largo plazo (LTP), un proceso que mide el tiempo que se ven afectadas las neuronas en el cerebro por una estimulación eléctrica breve. La LTP es considerada uno de los mecanismos moleculares centrales subyacentes en el aprendizaje y la memoria. En esta prueba, entonces, los investigadores encontraron que la LTP de los ratones trasplantados se desarrollaba más rápido y sostenido, lo que indica su capacidad de mejorar el aprendizaje.

Sobre la base de estos hallazgos, el equipo evaluó entonces a los ratones con una serie de tareas de comportamiento diseñadas para probar la memoria y capacidad de aprendizaje. Ellos encontraron que los ratones trasplantados eran aprendices más veloces y que adquirieron asociaciones nuevas, y además realizaron una variedad de tareas mucho más rápido que los ratones sin las células gliales humanas.

«La conclusión es que estos ratones mostraron un incremento en la plasticidad y aprendizaje dentro de sus redes neuronales existentes, en esencia cambiando sus capacidades funcionales», dijo Goldman. «Esto nos dice que las células de humanos tienen un papel específico en la capacidad intelectual y el procesamiento cognitivo de la especie. Aunque hemos sospechado durante mucho tiempo que este podría ser el caso, esto es realmente la primera prueba de este punto.»

Los investigadores creen que este modelo animal, al que llaman el ratón quimérico humano glial, ahora ofrece a la comunidad médica con una nueva herramienta para entender y tratar los trastornos neurológicos al los que contribuyen las alteraciones gliales. Esto puede ser especialmente relevante para las enfermedades neurológicas y neuropsiquiátricas que aparecen en los seres humanos más que en otras especies. En estos trastornos, los rasgos específicos de los humanos de los astrocitos pueden ser de especial importancia para el proceso de la enfermedad. Goldman, Nedergaard, y sus colegas ya están usando estos ratones para estudiar una gama de trastornos neuropsiquiátricos humanos y neurodegenerativas que pueden contribuir a la patología glial.

Entre los autores adicionales están Xiaoning Han, Chen Michel, Wang Fushun, Windrem Martha, Wang Su, Shanz Steven Xu Qiwu, Nancy Ann Oberheim, Bekar Lane, Betstadt Sarah, y Takahiro Takano con URMC y Alcino Silva con la Universidad de California en Los Angeles.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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