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INTERPRETACIÓN DE CORTES ENCEFÁLICOS

EN TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA Y RESONANCIA MAGNÉTICA

de LA ESPECIALIZACIÓN FUNCIONAL AL CONECTOMA DEL CEREBRO HUMANO

contenido de la unidad

  • Texto explicativo.

  • Imágenes

  • Actividad de aprendizaje

  • Interacción

DE LA ESPECIALIZACIÓN FUNCIONAL AL CONECTOMA DEL CEREBRO HUMANO

Tradicionalmente se ha postulado que el cerebro humano está organizado en regiones hiperespecializadas funcionalmente, bajo la idea de que una lesión cerebral localizada dañaba, de manera selectiva, procesos cognitivos específicos. En los últimos años este paradigma está siendo desafiado por una perspectiva alternativa qué busca en los circuitos vías o redes, el sustento de los mecanismos neurofisiológicos qué son la base de los procesos cognitivos básicos. Desde esta visión la organización funcional del órgano que rigen nuestro pensamiento se basaría en redes dinámicas y plásticas, acuñadas por la experiencia individual y ciertos condicionantes durante el neurodesarrollo, así como por la conectividad anatómica (conectoma). Cómo consecuencia Se pretende observar cómo los diferentes procesos cognitivos están sustentados por un conjunto de redes funcionales que conllevan la interacción entre diferentes regiones cerebrales y cómo la alteración de estas conexiones llevaría al desarrollo de alteraciones en el normal funcionamiento de las capacidades. Patologías cómo la enfermedad de Alzheimer o la esquizofrenia se pueden entender mejor cómo síndrome de desconexión o daños a nivel de red más que como alteraciones de regiones cerebrales específicas. En esta unidad introductoria pretendemos evidenciar la utilidad del conectoma para entender el funcionamiento cerebral y comprender sus patologías. Lo veremos a través de los métodos que permiten registrar la dinámica De los mecanismos neurofisiológicos qué sustentan los procesos cognitivos básicos y también mediante la descripción de la organización de las redes estructurales. La ayuda de las nuevas metodologías de análisis de señal, así como las redes biológicas y los modelos computacionales, complementarán el marco experimental en el que se está investigando este nuevo paradigma. La enfermedad de Alzheimer la esquizofrenia y el traumatismo craneoencefálico serán algunas de las patologías en las que se evidenciará la utilidad clínica de las redes anatomo funcionales. Además, bajo la conectómica se estudiarán los fenómenos de plasticidad y la organización de los procesos cognitivos.

El porqué y el cómo del modelo de hiperespecialización funcional  

Cuando miramos con detalle los datos sobre los elementos que constituyen el cerebro, tomamos conciencia del microcosmos qué constituye este formidable órgano del pensamiento. El número promedio de neuronas es de unas 86,000 millones, siendo de 10 a 50 veces más el número de células gliales; Además 10 elevado a la catorceava potencia es el número total de sinapsis. Es cierto que estas cifras pueden variar en función del género, al menos en la corteza temporal, pero en general no se hablan del enorme potencial de procesamiento que presenta y de su intricada arquitectura de conectividad.

Para comprender un sistema tan complejo era necesario llegar a un modelo que nos permitiera alcanzar cierta simplificación y cuyas predicciones pudieran medirse con las herramientas que poseíamos décadas atrás. De esta manera fue surgiendo una aproximación a la comprensión de la organización funcional del cerebro quién se alejaba de su complejidad anatómica real. Las primeras evidencias de la organización funcional se basaron esencialmente en medidas conductuales que se correlacionaban conciertos hallazgos anatómicos, Cómo fue el caso de la frenología, corriente originalmente promovida por Franz Joseph Gall (1758 - 1828). De esta aproximación fue surgiendo progresivamente la idea de que determinadas capacidades cognitivas estaban localizadas en ciertas regiones cerebrales específicas. Aunque la frenología fue duramente criticada, generó todo un modelo que fue cobrando nuevas evidencias científicas en el devenir de la historia de la neurociencia. Así, el estudio de las alteraciones anatómicas de pacientes que mostraban menoscabos cognitivos específicos, trajo consigo una acumulación de hallazgos que empezar a cimentar la idea de la hiperespecialización funcional de ciertas regiones cerebrales. Tal fue el caso de la serie de pacientes que describió Paul Broca (1824 - 1880), con lesión en la tercera circunvolución frontal, qué presentaban afasia de producción. Otros investigadores cómo Karl Wernicke (1848 - 1905) describieron a pacientes con lesiones en la primera circunvolución temporal con afasia de comprensión, y así otras lesiones en regiones del cerebro iban conformando un mapa funcional que incluso intentaba adscribirse a los mapas anatómicos descritos por Korbinian Brodmann en 1909. Metodologías posteriores cómo la estimulación cortical intraoperatoria con pacientes despiertos, desarrollada en el Instituto neurológico de Montreal por Wilder Penfield (1891-1976) y Herbert Jasper (1906-1999), Ahondaron más en este concepto, al localizar los homúnculos somatosensoriales y motor, así como la memoria y el lenguaje en otras regiones corticales. La aparición del test de Wada o test de amital intracarotídeo. Desarrollado por Juhn Wada en la década de los 50s, Corroboraban las ideas de la laterización hemisférica de lenguaje planteadas por el método lesional, ofreciendo una validez convergente al modelo de especialización funcional.

Franz Joseph Gall (1758-1828) y Johann Gaspar Spurzheim (1776-1832). Ambos anatomistas trabajaron conjuntamente en Viena. Preconizaron que la sustancia gris cerebral es el centro de los órganos de los sentidos y de la actividad mental. La sustancia blanca está formada únicamente por fibras. Ambos autores concluyeron que cuanto más desarrollada es una función, precisa mayor grosor de sustancia gris; las zonas de mayor desarrollo de la sustancia gris determinaban relieves más o menos importantes en la superficie del cráneo. El estudio de esta cartografía craneal fue denominada Frenología.

 

La Frenología fue aceptada por amplios sectores de la sociedad. Con el paso del tiempo la frenología fue abandonada. No obstante, marcó un paso en la cada vez más creciente teoría de la localización de las funciones cerebrales.

Korbinian Brodmann: Destacado médico, formado en psiquiatría, neurología y patología dentro de la clásica escuela alemana, reconocido a nivel mundial por su definición de la corteza cerebral inicialmente en 52 regiones distintas de sus características (y posteriormente en 47) cytoarchitectonic, conocidas como áreas de Brodmann.

Al lado de personalidades relevantes como AlOIS ALzheimer y OTTO Binswanger, fue quien asumió la tarea de bregar entre ambos paradigmas. Inspirado además por la flamante prédica de Charles Darwin, Brodmann sistematizó observaciones comparadas entre la estructura cerebral del ser humano y los primates de modo tal que los tejidos cerebrales filogenéticamente más antiguos (paleo y arquicórtex) fueron deslindados del neocórtex. En base a repetidas y concienzudas observaciones microscópicas de míltiples cortes histológicos, Brodmann estuvo en capacidad de postular la existencia de diversas áreas citoarquitectónicas (esto es, de acuerdo a la forma, disposición y densidad de las neuronas, espesor y secuenciación de las capas celulares) que finalmente agrupó en 47 áreas catalogadas con números arábigos. Su trabajo, con el título Vergleichende Lokalisationslehre der Großhirnrinde in ihren Prinzipien dargestellt auf Grund des Zellenbaues (Estudios de localización comparativa en el córtex cerebral, basados en la arquitectura celular), fue publicado en Leipzig a fines de 1909.

De esta manera, se fueron desarrollando los modelos del funcionamiento cognitivo en paralelo a estas evidencias científicas, generando las ideas de subsistemas cognitivos que se entendían cómo módulos funcionales independientes y qué presentaban disociaciones simples o dobles entre ellos.

Estos modelos cognitivos fueron progresivamente adscribiéndose ciertas regiones cerebrales completando el mapa anatomo funcional que hoy en día forma el paradigma dominante. La llegada de las técnicas de neuroimagen funcional a finales de los años 80s y en pleno auge de la década de los 90s, terminó de validar estas ideas. Estos procedimientos, que pueden mostrar como se organizaba un cerebro normal, poco a poco fueron corroborando la existencia de regiones cerebrales que mostraban hiperespecialización funcional, de modelos cognitivos cada vez más específicos y mejor localizados. Así el modelo fenológico Llegó a su máximo esplendor cuando algunas revistas y prestigiosos congresos internacionales adoptaron incluso la máxima de mapear el cerebro humano o Human Brian Mapping, en el que los modelos cognitivos como el sistema ejecutivo central, la inhibición de la conducta, el procesamiento facial o de fenómenos y etapas concretas de la memoria se pueden localizar en pequeñas áreas cerebrales utilizando en su denominación los mapas creados por Brodmann. Este modelo simplificado de un sistema complejo en seguida caló en los medios de comunicación, así como en la cultura popular, entendiéndose que existen áreas cerebrales para las habilidades cognitivas más inverosímiles. Qué lejos en el tiempo, pero qué cerca conceptualmente de las ideas de la vieja frenología.

Agotamiento del modelo de la localización funcional

Tal y como se ha indicado, este marco conceptual era práctico porque era sencillo e incluso se puede decir que clínicamente útil. Sin embargo, los descubrimientos sobre la organización anatómica cortical, con alta densidad de la conectividad, así como algunos fenómenos que encajaban con dificultad dentro del modelo imperante, hicieron que a finales de la década de los 90s y con más fuerza a comienzos del siglo XXI, se retomarán algunas ideas que hablaban de un cerebro organizado en circuitos más que en áreas funcionalmente independientes.

 

Sin duda los estudios de neuroanatomía y micro organización cortical eran tozudos, en demostrar que las neuronas están densamente conectadas entre sí y, por tanto, cada neurona recibe sinapsis de muchas otras neuronas. Generalmente, estas conexiones son de células vecinas, pero también existen conexiones de regiones distantes, facilitando así la comunicación Local y a larga distancia.

Arquitectura cortical, en la que se está llegando a un formidable nivel de descripción con el advenimiento de la microscopia electrónica, demuestran la existencia de redes y circuitos complejos que distan de poderse formalizar dentro del modelo tradicional. Adicionalmente, fenómenos como la plasticidad cerebral tenían un difícil encaje en el marco conceptual de la hiperespecialización funcional. Sí una región cerebral está especializada en una función cognitiva concreta, su lesión llevaría de manera inequívoca a la perdida de esa función cognitiva. Como estas pérdidas radicales no ocurren con la frecuencia que el modelo, en su versión más dura, debería predecir, ofrecían dos versiones blandas del mismo. La primera postulaba que las regiones periféricas a la lesión asumen la función perdida. De esta manera, las neuronas, por proximidad física, eran capaces de aprender otras funciones para las que no estaban previamente diseñadas. Está solución debilitaba claramente el modelo de especialización funcional, otorgando la posibilidad de que una misma área pudiera estar involucrada en más de una función. Sin embargo, está solución era difícil de mantener en lesiones extensas donde se siguen dando fenómenos de plasticidad. ¿Dónde se pondría el limite a la periferia de la lesión? La segunda versión “suavizada “del modelo sostenía que las regiones homólogas del hemisferio contralateral asumirían la función. Está solución debilitaba aún más si cabe el modelo, ya qué regiones distantes serán capaces de asumir funciones para las que no estaban diseñadas. El hemisferio derecho pueda asumir lenguaje ante una lesión temprana del hemisferio izquierdo puede indicar qué no hay un diseño congénito tan radical del mapa cognitivo en el cerebro.  Sí las personas invidentes utilizan las neuronas de la corteza visual para la orientación espacial o para el procesamiento somatosensorial, este sería un fenómeno que se escaparía de las predicciones del modelo de especialización, en el que un área diseñada para la visión procesa otro tipo de información como efecto de la reorganización funcional o plasticidad. Este tipo de fenómenos se entenderán de forma más extensa por el modelo de redes. Otros hallazgos cómo la colaboración entre sistemas sensoriales que son capaces de trasmitirse aprendizajes y cualidades de los estímulos los unos a los otros, así como otros fenómenos cognitivos, llevan a plantearse sí este modelo hiperfuncional siendo cómodo y útil no nos permite seguir avanzando en el conocimiento de las relaciones entre cerebro y conducta.

El modelo de la hiperespecialización funcional determinaba que sí una región cerebral estaba especializada en una función cognitiva concreta, su lesión llevaría de manera inequívoca a la perdida de esa función cognitiva. Como estas pérdidas radicales no ocurren con la frecuencia que el modelo, en su versión más dura, debería predecir, ofrecían dos versiones blandas del mismo. La primera postulaba que las regiones periféricas a la lesión asumen la función perdida. De esta manera, las neuronas, por proximidad física, eran capaces de aprender otras funciones para las que no estaban previamente diseñadas. La segunda versión del modelo sostenía que las regiones homólogas del hemisferio contralateral asumirían la función. Está solución debilitaba aún más si cabe el modelo, ya qué regiones distantes serán capaces de asumir funciones para las que no estaban diseñadas. 

De esta manera, es necesario promover un salto conceptual que nos lleve a un marco de trabajo que aglomere más fácilmente alguna de las evidencias descritos con anterioridad. Sin duda, para poder llegar a un cambio de paradigma, es necesario disponer de las herramientas de trabajo que puedan alcanzar el suficiente nivel de sensibilidad de medida de los fenómenos que se quieren estudiar y así poder demostrar o no, las nuevas hipótesis. En realidad, muchas de las herramientas básicas para demostrar estos conceptos ya existían. Las técnicas funcionales cómo la resonancia magnética funcional (RMf) la electroencefalografía (EEG) o la magnetoencefalografía (MEG) permiten medir series temporales relacionadas con fenómenos fisiológicos que ocurren en múltiples regiones cerebrales de forma simultánea o con cierto grado de sincronización o correlación.

La imagen por resonancia magnética funcional (IRMf) es un procedimiento clínico y de investigación que permite mostrar en imágenes las regiones cerebralesactivas, por ejemplo al ejecutar una tarea determinada. En inglés suele abreviarse fMRI (por functional magnetic resonance imaging). El procedimiento se realiza en el mismo resonador utilizado para obtener imágenes anatómicas por resonancia magnética para diagnóstico, pero con modificaciones especiales del software y del hardware. Para realizar una IRMf no se requiere necesariamente inyecciones de sustancia alguna ni radiación ionizante.

No obstante, por falta de un marco conceptual adecuado, sus datos no se habían analizado con el objetivo de describir redes funcionales y se habían usado casi exclusivamente para localizar funciones en el cerebro. El desarrollo y el rescate de algoritmos matemáticos capaces de analizar estas señales bajo los conceptos de conectividad funcional y conectividad efectiva, han permitido el salto metodológico necesario para empezar a nutrir de datos el nuevo marco conceptual y así alcanzar el giro qué requiere el estudio de la organización funcional del cerebro humano.

Un nuevo marco conceptual. El modelo de Red

Bagaje histórico del concepto

Fue precisamente Santiago Ramón y Cajal uno de los primeros en estudiar experimentalmente los fenómenos de plasticidad neuronal, dando lugar a lesiones en cerebros de animales. En general, él concluía qué el cerebro estaba constituido por una red intrincada de conexiones y que la lesión de los axones llevaba un intento de la restauración de las conexiones. De esta manera se podía intuir la importancia de la red ideas las conexiones en la dinámica del desarrollo fisiológico y cognitivo. Cuando se ven sus dibujos con flechas que indican intuitivamente la dirección de la corriente, Se puede entender su asombrosa capacidad para vislumbrar las primeras ideas de la conectividad efectiva y de los circuitos corticales (Direccionalidad de la información).

Imagen innédita de la obra de Santiago Ramón y Cajal en donde se aprecia la dirección de la corriente que señaló en neuronas del hipocampo, así como anotaciones de su puño y letra.

La teoría neuronal supuso un cambio radical acerca de la idea de cómo podía fluir la información en un cerebro “infinitamente fragmentado”, en vez de que ésto ocurriera a través de una red neuronal continua. Es decir, había que intentar averiguar cómo pasa el impulso nervioso de una célula nerviosa a otra a través de una separación física. Una consecuencia importante de la doctrina neuronal de Santiago Ramón y Cajal fue la teoría de la ley de la polarización dinámica de las células nerviosas, que éste propuso para explicar el tránsito de los impulsos nerviosos por los circuitos neuronales. En 1889, propuso que, al menos en ciertos casos, las dendritas tenían la función de recepción de corrientes  y dos años más tarde (Cajal 1891) trató de generalizar esta idea con la ley de la polarización dinámica, que se basaba en la dirección que seguían los impulsos en regiones del sistema nervioso, donde la ruta anatómica que deberían seguir los impulsos nerviosos era evidente, como en la retina y en el bulbo olfatorio (desde el mundo exterior hacia el interior del sistema nervioso).

Uno de sus discípulos, Rafael Lorente de Nó (1902-1990), fue uno de los pioneros de la neurofisiología moderna describiendo el circuito acústico, trabajos que influyeron de forma determinante en Donald Hebb (1904-1985) para el desarrollo de sus leyes que establecían una relación entre funciones cognitivas y fisiología cerebral. La gran aportación de Lorente de Nó fue en el campo de la transmisión sináptica, creando el concepto de “circuitos cerrados y reverberantes”.

 Estos serían los principios fundamentales que rigen estos circuitos:

1.- Una estimulación fuertemente repetida daría lugar al lento desarrollo de una agrupación celular, que a su vez produciría una facilitación en otros sistemas del mismo tipo.

2.- La base de dicho cambio de facilitación de una célula otra sería la creación de una zona de perturbación local o de aumento de contacto entre las células aferentes activadas y el soma eferente, produciéndose el crecimiento de los bulbos sinápticos.

3.- Dicho mecanismo sería selectivo y transitorio, basado en una “transmisión opcional” mediante la cual, en un sistema aislado y un conjunto de conexiones entre neuronas dentro del sistema, La dirección en la que se conduciría una excitación dependería de la “sincronización temporal” con otras excitaciones.

Rafael Lorente de No, fue un neurofisiólogo español quien durante ochos años fue asistente y uno de los últimos discípulos de Santiago Ramón y Cajal. Lorente de Nó se hizo muy conocido en los medios científicos internacionales por sus investigaciones sobre las vías vestibulares. Propuso la existencia en el sistema nervioso central de circuítos reverberantes, es decir, asambleas de neuronas internunciales y estableció una norma de disposición de tales circuitos como abiertos y cerrados. Sus ideas estuvieron acompañadas por esquemas explicativos los cuales fueron muy reproducidos en las obras especializadas de su tiempo. Entre otras investigaciones, estudió las sinápsis con los microscopios ópticos de su época, ya que los eléctrinicos aún no existían. También, midió el tiempo de retardo que se producían en las sinápsis del sistema nervioso central. Lorente de No siguió las líneas de investigación de Cajal al considerar que el cerebro estaba provisto de un mecanismo para mantener la actividad en el córtex después de que el estímulo hubiera terminado.

En 1950  Karl Lashley, un famoso neuropsicólogo americano  publicó su obra “In se arch of  the  Engram”  en la cual daba a conocer los resultados, a veces contradictorios , de las experimentaciones que había hecho durante 30 años para localizar la memoria del cerebro. desde el final de la primera guerra mundial había estado trabajando en este tema con resultados más bien decepcionantes . fruto de sus investigaciones fueron 2 supuestas leyes que pretendía haber descubierto.

la primera era “Law of   Mass  Action”, según la cual era el volumen cortical el que determinaban la habilidad mental. A mayor volumen mejor habilidad . esa ley la expresaba de la siguiente manera:

"La eficiencia del rendimiento está condicionada por la cantidad de tejido nervioso disponible y es independiente de cualquier área en particular o área de asociación".

La segunda ley era lo que él denominaba el principio de equipotencialidad, según el cual cualquier parte del cerebro  tenía capacidad para realizar cualquier tarea  y si una porción era dañada será remplazada por otra.   según él  la memoria y la capacidad de aprendizaje no estaban localizadas en ningún sitio concreto sino que estaban repartidas por todo el cerebro.  mientras neurocientíficos contemporáneos se esforzaban en localizar la memoria él mantenía que estaba repartida por todo el cerebro.

Un discípulo  de  Lashley fue el estudiante canadiense  Donald O Hebb, quién comenzó a discrepar de las ideas de su maestro. en cambio, una de las lecturas que produjeron en él una gran impresión ,  fue la obra de Rafael Lorente de No. Su idea del circuito de reverberación  significó para él una especie de iluminación . una epifanía clarificadora que ponía al descubierto el secreto de la memoria tras el que iba buscando. fruto de sus estudios fue una teoría sobre el funcionamiento de las neuronas que ha tenido y está teniendo gran incidencia actualmente . Esa teoría fue expuesta en la obra “The Organization of Behaviour”, publicada en 1947, en la que, incorporando lo aprendido de Lorente de No, le lleva a proponer la asamblea de células,  es decir un complejo circuito.      

Según Hebb “Cuando un axón de una célula A está lo suficientemente cerca de una célula B cómo para excitarla, y participa repetida o persistentemente en su disparo, ocurre algún proceso de crecimiento cambio metabólico, en una o ambas células, de modo tal que la eficacia de A, cómo una de las células qué hacen disparar a B, aumenta “. Esta ley, basada en la conectividad, inspiró posteriormente aparte del conexionismo y la inteligencia artificial. Algunas de sus frases más célebres son:  “Cuando dos neuronas disparan el mismo tiempo se conectan” en su libro La organización de la conducta, y otras como: “Cualquier par de células o sistemas de neuronas que están repetidamente activas al mismo tiempo tenderán a estar asociadas, de tal manera, que la actividad en una facilitará la actividad en la otra; p. 70.; “Cuando una célula ayuda a disparar repetidamente en otra, el axón de la primera célula desarrolla espinas sinápticas o se agrandan las ya existentes en contacto con el soma de la segunda célula” p. 63. Estos principios permiten sentar las bases de sistemas de comunicación de circuitos sobre los que se sustentaba, según él, La conducta humana.

Quizá sea el trabajo de Noman Geschwind en el que de forma más directa se establece una relación entre el menoscabo cognitivo y la conectividad anatómica, dando sustento a lo que él denominó “Síndromes de desconexión”. Indicó que la desconexión entre regiones corticales se podría producir tanto por la desconexión en la sustancia blanca como por el daño de áreas de asociación que constituyen lugares de obligado pasó entre las regiones sensoriales primarias, motoras y límbicas del cerebro del primate. Cuando leemos este lúcido párrafo podemos entender entre líneas que actualmente manejamos sobre conectividad anatómica y, sobre todo, de la existencia de hubsnodos de alta densidad de conectividad” que él denominaba “Obligatory way stations”. Ideas cualitativamente diferentes que abrieron un camino alternativo que, desafortunadamente, fueron ignoradas durante décadas. Resulta llamativo que siempre se quiten los hallazgos de este autor en cualquier capítulo de introducción a las bases cerebrales de la conducta humana, aun cuando sus principios no se adscriben al modelo de hiperespecialización funcional. Catani y Fitche, establecieron un paralelismo entre las ideas de Norman Geschwind y los descubrimientos actuales realizados con técnicas de conectividad anatómica y funcional en un homenaje de la revista “Brain” En el 40 aniversario de la publicación de este visionario artículo.

Una evidencia de la existencia de redes corticales que sustentan los procesos cognitivos viene dada por los datos de la callestomía y, por tanto, desde el denominado método lesional. Fue el propio Norman Geschwind, discutiendo sus ideas con Oliver Zanwill y siguiendo la tendencia del clásico artículo de Jules Dejerine de “Alexia sin agrafia” quién describió como las desconexiones entre los dos hemisferios del cerebro llevaban a menoscabos funcionales sin existencia de lesiones en la sustancia gris. Estos hallazgos indicaban una íntima colaboración entre los dos hemisferios del cerebro, debilitando el clásico argumento de asimetría e hiperespecialización hemisférica.

En los últimos años se publicó un artículo qué utilizando técnicas de conectividad funcional demuestra claramente las relaciones funcionales entre ambos hemisferios cerebrales. En este artículo, a unos datos de pacientes a los que se realizó el test de Wada y se les pudo registrar su actividad eléctrica cerebral mediante EEG durante el procedimiento, se les calcularon los perfiles de conectividad funcional y las propiedades de arquitectura de red. El test de Wada, provoca la inactivación de uno de los dos hemisferios mediante la inyección, a través de las carótidas internas, de amobarbital sódico. Este fármaco incrementa la frecuencia de apertura de los canales de cloro por un período limitado de tiempo que oscila Entre 3 y 5 minutos, generando una hiperpolarización de las células de un solo hemisferio. Lo que se encontró en este estudio fue una íntima dependencia hay una relación de equilibrio entre ambos hemisferios al calcular sus parámetros de sincronía y de arquitectura de red. Se produciría así un incremento en la sincronía en el hemisferio ipsilateral a la inyección en las bandas de frecuencia lentas. Al mismo tiempo, se producía un decremento de la sincronización contralateral y de la sincronía interhemisférica. En la banda gamma ocurría un incremento en la sincronización. Respecto a su arquitectura de red, esto se convierte en una red aleatoria. Así, La inactivación farmacológica de un hemisferio afectaban las relaciones funcionales no sólo del hemisferio deprimido farmacológicamente, sino también al hemisferio contralateral y por supuesto, al grado de intercambio de información entre ellos. Estas evidencias indican que el grado de interdependencia entre regiones del cerebro es alto y que la perdida de una región afecta funcionalmente regiones distantes. Está idea fue inicialmente propuesta en 1914 por Constantin Von Monakow (1893-1930), quién defendió la idea de que el intelecto solo se podía dar por las relaciones entre diferentes partes del cerebro. Está idea reformulada finalmente en neuropsicología con el término “diasquisis funcional” para entender los fenómenos de daños funcionales distantes a la lesión.

En la década de los 80s, cuando mayor auge tomó el modelo de la hiperespecialización funcional, Marsel Mesulan defendió en sus estudios sobre la enfermedad de Alzheimer, la afasia progresiva primaria y otras alteraciones neurológicas, la idea de los circuitos corticales.

De esta forma, basándose en el síndrome de negligencia contralateral en estudios con monos y humanos, demostraba la existencia de una red cortical compuesta por la formación reticular, región prefrontal, el cíngulo y la corteza parietal superior, dentro de este contexto histórico. En su artículo original comentaba las cualidades Individuales que cada región de este circuito aportaba a la atención. Adicionalmente, se preocupaba por la descripción de los circuitos anatómicos de regiones de alta densidad de conectividad cómo la corteza cingulada posterior, Junto con el hoy conocido anatomista Deepak Pandya.

Pero son los trabajos de Joaquín Fuster, Patricia Goldman-Rakic (1937-2003) y Michael Petrides, en los estudios de mantenimiento de información en memoria, Los que apoyan la existencia de redes frontoposteriores dorsales y ventrales que contemplan cierta especificidad funcional. En el libro de Joaquín Fuster “Memoria en el córtex cerebral” (Dónde se compendia la investigación realizada por eso autor durante décadas) y en publicaciones posteriores dónde está en la sala idea de que la memoria está distribuida en complejas redes en la corteza cerebral. Más adelante propondrá Un mecanismo esencial para el uso prospectivo de la memoria operativa: “los cognitos”, qué consisten en redes corticales distribuidas solapadas interactivas, dando el papel dominante de la memoria de trabajo en la estructuración de secuencias cognitivas con propósito, su mecanismo se vuelve a ciencia para la fundación de la conducta, el razonamiento y el lenguaje.

El catalán Joaquín Fuster, Profesor en la Ucla, ha estudiado, a lo largo de su dilatada y productiva carrera neurocientífica, el cerebro humano en su conjunto, pero ha puesto especial énfasis en el lóbulo frontal y, dentro de este, en cómo formamos y mantenemos la memoria a corto plazo.

Desde la perspectiva privilegiada que le otorgan sus conocimientos de científico del cerebro ha podido comprobar la forma en la que ese órgano crea, a partir de las entradas sensoriales y los procesos internos propios y del organismo en su conjunto -informados por hormonas o neuronas- respuestas conductuales complejas. No considera que exista otro órgano dentro de nuestro cráneo que el mismo cerebro, cosas tales como un órgano para el lenguaje, o en general módulos de gran especificidad. El cerebro es un órgano que trabaja como un todo gracias a su característica esencial, que es su reticularidad. La gran red neural, que incluye neuronas y glía, tiene numerosas redes locales, pero todas y cada una de ellas se integran en la red global, que es un todo coherente que compone e interpreta una sinfonía de percepciones y movimientos cuya dirección recae principalmente sobre el lóbulo frontal, en su calidad de lóbulo del movimiento, que va –a la cabeza, al frente.

La nueva era de los circuitos y las redes

A finales de la década de los 90 del siglo XX, comienza a ser más patente el debate entre lo que se denomina segregación funcional e integración funcional. Esta disociación, intentaba plantear un equilibrio entre localizacionismo y conexionismo, de tal manera que existía una clara segregación funcional en regiones sensoriales y motoras primarias, pero que se perdía progresivamente en otras regiones cerebrales. Sin embargo, mientras que las ideas de la segregación funcionales aceptaban la especialización funcional, se aceptaba asimismo que es la infraestructura cortical qué sustenta a una función particular puede involucrar diversas regiones especializadas cuya Unión estaría medida por la integración funcional entre ellas. Estas ideas suponían un importante. de encuentro entre dos modelos en principio antagónicos.

Es en este momento cuando se desarrollan las metodologías quedarán soporte a los nuevos marcos conceptuales y, por tanto, a los análisis de los datos con técnicas que miden los mecanismos neurofisiológicos que sustentan los procesos en red. De esta manera se acuñan términos como el de “Conectividad funcional”, qué se refiere a la dependencia estadística entre dos señales neurofisiológicas, y “conectividad efectiva” Para indicar el flujo de información entre dos regiones o grupos neuronales o la influencia que un sistema neural ejerce sobre otro.

Hans Berger (1873-1941) En sus primeras descripciones mediante EEG ya había indicado que el cerebro estaba constantemente trabajando. En realidad, la diferencia en el gasto energético entre el estado basal y el estado de tarea es de aproximadamente el 5%, Lo que indica el alto consumo energético en estado basal. Sin embargo, esta actividad se dejó de lado y no fue hasta mucho más tarde cuando se empezó a evaluar la actividad en estado de ausencia de tarea. En 1995, Bharat Biswal, Mientras realizaba un estudio sobre el sistema somatomotor, la curiosidad de valorar también el estado vas al respecto al estado de tarea, al  que tradicionalmente se me había otorgado la cualidad de ser caótico e inespecífico. Sin embargo, su grupo pensó que su estado basal era parte de la actividad del cerebro y qué quizá estuviera más organizado de lo que se había pensado. De este análisis emergió una red somatomotora similar al encontrada en el estado de tarea indicando un orden en el estado de reposo. Otras redes similares se describieron posteriormente, en el estado de reposo, casi siempre mimetizando La organización del estado de tarea en sistemas visuales y auditivos. Esto llevó a pensar que existían cierta similitud en la organización cerebral en estado de reposo y tarea.  

 

Una excepción podría ser la denominada red por defecto, que es una de las redes que más interés ha despertado. El grupo dirigido por Marcus Raichle describió esta red que se mostraba activa durante el estado de reposo pero que se desactivaba al realizar una tarea. también se le llegó a denominar como red contraria de tarea. Estaría formada por la región medial frontal, el cingulado posterior, el precuneus, las cortezas lateral e inferior parietal y la región medial temporal. una cualidad de esta red es que es inespecífica de tarea, es decir, que se desactiva ante la presencia de cualquier tarea, pero que su patrón de actividad no está relacionado con ninguna red específica de tarea. Quizá debido a que esta red está fuertemente influenciada por la organización anatómica, estos patrones espontáneos de actividad podrían contener información acerca del conocimiento evolutivo y epigenético y servir como un modelo interno de percepción y acción. Así, podríamos decir que es un vestigio de nuestra evolución, pero con un claro papel fundamental y funcional básico en nuestra organización cerebral.

La descripción de redes está haciendo muy fructífera, reflejándose redes de lenguaje, de la atención (ventrales y dorsales) etc. Un aspecto importante sobre el estudio de la red cerebral ha sido la posibilidad de combinar la información de conectividad anatómica y la conectividad funcional.   Los avances de las técnicas de difusión por resonancia magnética han proporcionado descripciones de la organización de la red anatómica en vivo, y, por tanto, posibilitar el conocimiento de las relaciones con las redes funcionales. Aunque es cierto que para que dos regiones mantengan una relación funcional no es necesario una conexión anatómica directa, sí parece plausible que dos regiones que están conectadas anatómicamente presente una relación funcional entre ellas. En el primer caso, las conexiones a través de terceros elementos como el tálamo, permitirán la conectividad a larga distancia con un importante ahorro energético para el cerebro, y, probablemente alcance un mayor grado de acoplamiento que la conexión directa entre regiones.  Este tercer elemento serviría como sistema para sincronizar o desincronizar según la necesidad, de forma rápida las regiones corticales distantes. Tal y como lo indica Friston, la conectividad efectiva depende de la estructural, pero la estructural en sí misma no es suficiente, ni ofrece una completa descripción de la conectividad.  Sin embargo, algunos grupos han podido predecir la organización de la conectividad funcional de las redes por defecto a partir de la conectividad anatómica, lo cual indicaría que algunas de estas redes cortico-corticales están determinadas las conexiones anatómicas entre sus nodos. Esto podría ser así en la red medidas en estado basal que producirían el patrón de conectividad anatómica, pero no en redes que se forman durante una tarea cognitiva donde la complejidad y la riqueza de las conexiones se alejan del puro patrón estructural. En un trabajo reciente de un grupo de investigación Del laboratorio de neurociencia cognitiva y computacional en el centro de tecnología biomédica en Madrid, se pudo constatar las íntimas relaciones entre conectividad anatómica y funcional mostrando como pérdida de integridad en la sustancia blanca de pequeñas regiones del tálamo estructuras de la red funcional en estado basal de pacientes con deterioro cognitivo leve.

Un importante avance en las ideas de las redes funcionales anatómicas fue la introducción de la teoría de grafos, Watss y Strogatz Introdujeron estas ideas en la neurociencia describiendo la existencia de organizaciones topológicas denominadas “de mundo pequeño” que se caracterizaban por mantener un equilibrio entre segregación e integración de manera que presentaban un alto grado de agrupación junto con una baja distancia entre nodos. esta aproximación provoca la pérdida de la visión puramente morfológica de las áreas cerebrales y debilita la importancia de regiones particulares del cerebro que están conectadas o no (por ejemplo, el lóbulo frontal y el hipocampo durante una tarea de memoria episódica). Por tanto, lo importante, entre otros parámetros, podría ser si la organización de los múltiples patrones de conectividad genera una estructura eficiente donde la información fluya adecuadamente. En consecuencia, esta perspectiva permite calcular parámetros de eficiencia en la red y más importante, se puede calcular la existencia de áreas de alta densidad   de conectividad o nodos que servirán de regiones de intercambio para un flujo de información más eficiente. Es probable que estos nodos fueran los que introdujeron a los neurocientíficos de épocas pasadas a sustentar la hiperespecialización funcional. un daño en una región de alta densidad de conectividad provocaría un daño funcional más severo que si la pérdida se produjera en una región menos importante para la red, Así, es probable que la pérdida bilateral de las regiones mediales temporales causan amnesia por la destrucción de un nodo de la memoria episódica, pero no porque esa región contenga una especialización funcional concreta (por ejemplo un aeropuerto saliendo de un nodo de comunicación no contiene información, sólo permite el paso de forma eficiente y organizada de un lugar al otro).  Esta perspectiva de los sistemas complejos y teoría de grafos aplicada a la neurociencia debe ser tratada a profundidad.

Como consecuencia de esta enorme avalancha de datos y que de poco a poco se ha ido desarrollando una metodología cada vez más eficiente y un modelo conceptual que genera predicciones concretas, se ha producido la necesidad de que se creen revistas especializadas, congresos específicos y, además, grandes proyectos de investigación. Un ejemplo de un gran proyecto de investigación de este tipo es el “Human    Connectome   Project” cuyo eslogan es “tú eres tú conectoma”. En este proyecto se ha investigado desde la micro circuitería cerebral hasta las grandes redes mediante técnicas de neuroimagen. otro ejemplo donde las ideas de la conectividad tendrán una importante presencia en este proyecto, financiado por la Unión Europea, es el que el entendimiento de las redes funcionales esclarecerá los mecanismos básicos de funcionamiento del cerebro que le permitan alcanzar una alta eficiencia con un bajo coste energético.

Uno de los proyectos más ambiciosos de la ciencia actual ha sido sin duda el Human Connectome Project, con la participación de varias de las universidades más reconocidas del mundo y encabezado por 16 componentes de los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos (y con un presupuesto millonario, sobra decir). El proyecto parte de la premisa de que el cerebro humano es una "sinfonía" y puede entenderse mejor como una compleja red de interconexiones, más que como una serie individual de neuronas o componentes. Lo que nos define, si acaso, son estas conexiones, esta red de relaciones. En palabras del director de los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos, el Dr. Francis Collins, "eres tu conectoma". La meta del proyecto es construir un mapa de redes que arroje luz a la conectividad anatómica y funcional del cerebro humano. El proyecto tiene ecos que lo asemejan al proyecto del genoma humano, siendo el conectoma lo equivalente al genoma, en este caso la unidad básica de una "red exquisita de neuronas interconectadas".

modelos y principios de funcionamiento en red 

el modelo jerárquico de Park y Friston   

La función cognitiva puede ser descrita como la integración global de operaciones neuronales locales (segregación), en el que subyace un mensaje jerárquico que se transmite entre áreas corticales y es facilitado por una arquitectura de red modular jerárquica. Tal y como indican estos autores la integración se daría tanto a nivel local como de forma global a larga distancia. Así este modelo guarda cierto equilibrio entre la posición de segregación y la de integración que con vivirían en la organización funcional del cerebro. la integración local implicaría un procesamiento especializado mediado por las conexiones de corto alcance, intrínsecas a un módulo a cualquier escala, mientras que la integración global favorecería la cognición superior, y por conexiones de largo alcance, como las conexiones cortico-corticales. Unos elementos clave para la integración global serán los denominados “Rich-club-Hubs “, son nodos densamente conectados entre ellos, pero que a su vez sirven para la comunicación de subpoblaciones funcionales, facilitando así la integración de información. Algunas regiones cerebrales propuestas como Rich-Club-Hubs son: nodos   densamente conectados entre ellos, pero que a su vez sirven para la comunicación de subpoblaciones   funcionales, facilitando así la integración de la información. algunas regiones cerebrales que han sido propuestas son:  precunneus, las regiones frontales y parietales superiores, el hipocampo, el putamen   y el tálamo, regiones cuyo daño lleva a severas alteraciones cognitivas.

Otro aspecto central de este modelo será la idea de que las redes neuronales constituyen un modelo probabilístico generativo del estímulo sensorial entrante (codificación predictiva). así se hacen predicciones (de arriba a abajo) sobre el estímulo sensorial, produciéndose un proceso para refinar esas predicciones mediante la minimización de la predicción del error (aprendizaje). Las predicciones del modelo generativo se ajustan en cada nivel de la jerarquía hasta que se minimiza el error entre la predicción y el estímulo sensorial. La reducción   de la predicción del error esta medida por conexiones hacia delante (forward connections), desde un área inferior hasta un área superior. Adicionalmente, las conexiones hacia atrás (back Ward connections) ofrecen predicciones hacia niveles más bajos de la jerarquía. el aprendizaje sería así, un proceso de ajuste de parámetros   como la fuerza de las conexiones y la eficacia de las conexiones. Estos principios formulados dentro de la teoría general denominada como “free energy” elaboran mecanismos específicos de funcionamiento que pueden ser evaluados en el cerebro humano, pero, además, en modelos computacionales, permitiendo marcos experimentales mucho más controlados.

 la visión de la economía del gasto energético de Bullmore y Sporns

El cerebro es un órgano de alto consumo energético esto es debido al número de elementos, a las necesidades de velocidad de transmisión de estímulos (que dependen del calibre Axón), al espacio limitado en el que se encuentra (limitando el número de elementos y la distancia entre ellos) y a sus propiedades intrínsecas (por ejemplo, volumen respecto al resto del cuerpo). Este alto consumo energético ha tenido que llevar al desarrollo de mecanismos que reduzcan estos costes, sin embargo, es necesario que al mismo tiempo se permita un sistema con alta capacidad de procesamiento de información.  es así qué se propone que en el cerebro se da una compensación entre la minimización de costes y la permisibilidad de la emergencia de patrones topológicos de conectividad anatómica o funcional entre múltiples poblaciones neuronal es que tengan un valor adaptativo.

Morfológicamente o funcionalmente, sí todas las neuronas estuvieran conectadas con todas supondría un enorme coste, aunque minimizaría la distancia entre grupos neuronales. Estas conexiones a larga distancia, aunque suponen un alto coste de construcción y mantenimiento, tienen un alto valor adaptativo, ya que permiten la integración entre subpoblaciones neuronales. Así el compromiso entre coste y valor fue la generación de un cierto número de conexiones de larga distancia, mucho menor en proporción a las de corta distancia, y la creación de nodos de alta densidad de conectividad que permiten conexiones a larga distancia de mayor eficacia.

De esta manera, se configura una arquitectura topológica óptima con alta conectividad entre vecinos y con algunas conexiones entre subpoblaciones neuronales que minimizan larga distancia configurando una estructura denominada de “mundo pequeño”. Esta configuración facilita la emergencia de la complejidad y de la dinámica crítica.  Sí un sistema está dinámicamente en la cúspide de una transición entre una dinámica aleatoria (todos con todos) y una regular (sólo conexiones entre vecinos) se dice que se está en un estado crítico o de dinámica crítica. Este tipo de configuración permite una rápida adaptación a las exigencias de los estímulos externos. Por tanto, esta visión propone que el cerebro será un órgano exitoso si su valor adaptativo para el organismo exhibe su coste biológico, es decir, debe alcanzar un compromiso entre el coste y el valor de la producción.

la perspectiva neurofisiológica de Wolf Singer

Este autor propone que el principio de organización imperante en el cerebro humano es el procesamiento distribuido en redes, y acopladas y recurrentes con una dinámica no lineal qué es capaz de sustentar estados de elevada dimensionalidad.

Existen evidencias anatómicas y funcionales de este comportamiento en red. Las evidencias anatómicas se pueden resumir en las siguientes:

a) proyecciones de retroalimentación son más numerosas que las proyecciones hacia delante,  lo que indica la importancia del control de arriba -abajo,  b) las conexiones intracorticales se caracterizan por formar un intricado continuo de conexiones entre diferentes capas;  c) Desde las áreas sensoriales,  surgen vías en paralelo  cuyos nodos están ligados por conexiones recíprocas dentro y entre modalidades; d) la regla de que las conexiones hacia delante se originan en capas supragranulares y las conexiones de retroalimentación se originan en infragranulares  no se mantiene en áreas cerebrales vecinas, y  los análisis estadísticos de la conectividad entre regiones del cerebro indican una estructura de tipo mundo pequeño, pero con más del 60 por ciento de las conexiones posibles realizadas. Las  evidencias funcionales serían: a) hasta en las regiones sensoriales primarias, las neuronas pierden su papel de especificidad ante un estímulo complejo, incluso pueden influenciarse por estímulos de otras modalidades; las capas supra e infragranulares pueden operar en paralelo; b) la actividad espontánea tiene una estructura espacio temporal concreta; c) las regiones corticales están densamente conectadas en reposo cambiando su composición de un modo dependiente del estado, conformando un sistema generador de patrones y no sólo modulado por estímulos externos, y d )  la regiones cerebrales se comunican mediante actividad oscilatoria a diferentes frecuencias que dependen, por ejemplo, la actividad cognitiva o de los objetivos de elección.

ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

Después de conocer los principales criterios que han llevado de la especialización funcional al conectoma del cerebro humano, de respuesta a los siguientes cuestionamimientos, apoyándose también para ello en el material que en formato PDF se comparte como material complementario y de lectura obligatoria.

1.- Explique en qué consistía el modelo de hiperespecialización funcional del cerebro.

2.- Explique porqué modelo de hiperespecialización funcional del cerebro ha dejado de ser eficaz para el estudio de las funciones cognitivas y emocionales.

3.- Explique en qué consistió la antigua teoría de la frenología y cual fue su aportación a la ciencia moderna a pesar de considerase incorrecta y actualmente rechazada por las neurociencias actuales.

4.- En qué consistieron las aportaciones de Rafael Lorente de Nó y cuales las de Donald O Hebb.

5.- Explique en qué consistieron las primeras descripciones de la estructura de la corteza cerebral.

6.-  Mencione cuáles fueron los resultados obtenidos en el estudio realizado por Bugbee y Goldman-Rakic quienes utilizaron la técnica de trazado retrógrado para caracterizar la organización columnar de la corteza cerebral en dos especies de primates del viejo y del nuevo mundo, especialmente en las áreas de asociación prefrontal.

7.- Explíque en qué consiste el desarrollo individual de la corteza cerebral descrito por Joaquin Fuster en su libro "Cerebro y libertad" así como lo que pel denomino "cognito".

8.- Explíque en qué consistía la teoría de la polarización dinámica de las neuronas expuesta por Santiago Ramón y Cajal.

9.- Acceda al link: https://www.consejomexicanodeneurociencias.org/blog-1/human-connectome-project-el-mapa-m%C3%A1s-extenso-de-las-conexiones-del-cerebro-humano así como al enlace que en el mismo aparece y explíque en que consistió el "Human Connectome Project" y cuales son sus aportacionesa las neurociencias modernas.

10.- Realice de su puño y letra el diagrama que represento uno de los argumentos expuestos por Rafael Lorente de Nó, en relación a las principales células que están implicadas en un circuito intrínseco o local.

 

Este trabajo deberá remirtirlo en cualquier formato (word, power point, a mano) mediante correo electrónico a más tardar el día 22 de marzo.

Este trabajo es de carácter obligatorio para continuar con la siguiente unidad que estará disponible a partir del día 23 de marzo.

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