octubre 02, 2017

La Estructura Cerebral de Hombres y Mujeres



Los hombres se casan con las mujeres con la esperanza de que ellas nunca cambien, mientras que las mujeres se casan con los hombres con la esperanza de que ellos sí lo hagan. Esta frase de Albert Einstein sirve para ejemplificar cómo los hombres y las mujeres somos diferentes en muchos aspectos. Y si nos introdujéramos en los cerebros de ambos géneros, podríamos observar que hay diferencias notables en las conexiones neuronales entre ambos, las mismas que dan sustento a las diferencias a nivel cognitivo y conductual.

El cerebro del hombre y el de la mujer no se estructuran de la misma manera, al menos en cuanto a las conexiones entre los hemisferios. Científicos estadounidenses han analizado los circuitos neuronales de cerca de un millar de hombres y mujeres, desde la infancia hasta la edad adulta.

el conectoma  mapa de las conexiones neuronales  apunta a que algunas diferencias en los comportamientos de hombres y mujeres pueden ser atribuidas al modo en que nuestros cerebros están "conectados" internamente.


Las diferencias entre hombres y mujeres están en las conexiones cerebrales

Un estudio realizado por diferentes instituciones de investigación estadounidenses publicado en Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) en abril 2016, sostiene que el cerebro humano alberga tanto características masculinas como femeninas.

Trabajos anteriores han mostrado que existen diferencias entre sexos a nivel cerebral, pero nunca se había hecho un estudio con tantos participantes para observar las conexiones neuronales a lo largo de todo el cerebro.

El trabajo señala que los patrones de conectividad cerebral de los hombres forman un sistema más eficiente para las acciones coordinadas y las percepciones. Por el contrario, en el cerebro femenino, las conexiones favorecen el razonamiento analítico, el procesamiento de información y la intuición.

Se analizaron los cerebros de 949 personas de entre 8 y 22 años con el objetivo de observar las diferencias entre ambos géneros. Para esto, utilizaron una técnica llamada diffusion tensor imaging (DFI), la cual se basa en la formación de imágenes cerebrales en tercera dimensión que captan el movimiento de agua dentro del cerebro. Así, los investigadores pueden conocer las conexiones estructurales en el cerebro.

Para comprobar las diferencias específicas en los circuitos neuronales entre las distintas regiones del cerebro y en ambos géneros, los autores dividieron a los individuos por rangos de edad en función de la etapa de la vida: niñez, adolescencia y edad adulta.

Los resultados mostraron que los cerebros de los hombres tienen una buena conexión intrahemisférica, esto es, dentro del mismo hemisferio, mientras que los de las mujeres tienen una buena comunicación interhemisférica, es decir, entre los dos hemisferios, al nivel donde se localiza el telencéfalo, la parte más grande del cerebro. Por otro lado, los hombres tienen mejor conexión entre hemisferios a nivel del cerebelo, región importante para el control motor, mientras que las mujeres tienen buena conexión intrahemisférica a este nivel.

En la parte superior el cerebro masculino,
en la inferior el femenino. En azul las
conexiones en un mismo hemisferio,
en naranja los circuitos entre hemisferios
Existe una mayor proporción de fibras mielinizadas en los hemisferios cerebrales de los hombres, lo que sugiere que están optimizados para la comunicación dentro de cada hemisferio. Sin embargo, los cerebros de las mujeres están preparados para la comunicación entre hemisferios”, indican los investigadores en su artículo.

Esto sugiere que los cerebros de los hombres tienen una estructura que facilita la conexión entre la percepción y la acción coordinada, mientras que el las mujeres facilita la comunicación entre los modos de procesamiento analítico e intuitivo. Dichos resultados son consistentes con otras investigaciones donde las mujeres han demostrado ser mejores para poner atención y memorizar caras y palabras, mientras que los hombres sobresalen por realizar mejores actividades que involucran procesamiento espacial y velocidad sensomotora.

Este trabajo da más argumentos para explicar por qué los hombres son buenos para ciertas tareas y las mujeres para otras. Por ejemplo, ellos son mejores para aprender y desempeñar una tarea en cuestión como andar en bicicleta o navegar en direcciones, mientras que ellas tienen mayor habilidad para la memoria superior y para las tareas de cognición social, por lo que son mejores para desempeñar muchas actividades a la vez y generar soluciones que funcionan para los grupos.

Además, los autores observaron que existían muy pocas diferencias entre sexos en las conexiones cerebrales en niños menores de trece años. Sin embargo, estas diferencias se acentuaron en edades entre los catorce y los 17 años y en adultos jóvenes.


No existen diferencias significativas entre ambos sexos en la amígdala  mujeres y hombres sienten las emociones de la misma manera

Un estudio sobre las diferencias entre los cerebros de hombres y mujeres, realizado por la Universidad Rosalind Franklin de Medicina y Ciencia (Chicago), publicado en NeuroImage en enero 2017, ha revelado que en la especie humana no existen diferencias significativas entre ambos sexos  en un área cerebral específica: la amígdala.

La amígdala  porción pequeña del cerebro  es la parte del cerebro responsable de las emociones, empatía, agresión y excitación sexual.

Los resultados se contraponen a los de estudios realizados en animales (por ejemplo, en ratas), que habían indicado que la amígdala es desproporcionadamente mayor en los cerebros masculinos. Trasladados estos resultados a humanos, se había sugerido que esta diferencia de tamaño contribuiría a las diferencias sexuales en la emotividad y en la prevalencia de trastornos como la ansiedad y la depresión.

El presente estudio consistió en un meta análisis con enfoque estadístico en el que se combinaron los resultados de múltiples investigaciones previas; decenas de estudios realizados con una técnica llamada resonancia magnética cerebral.

En total se analizaron 58 comparaciones publicadas de volumen de amígdala en grupos de hombres y mujeres sanos (o de niños y niñas). Aunque estos estudios informaban de que la amígdala es alrededor de un 10% mayor en los cerebros masculinos, esta diferencia es comparable al tamaño mayor de los cuerpos de los varones y, más concretamente, se relaciona con el 12% más de volumen cerebral que tienen, con respecto a las mujeres.

Tras corregir las medidas para ajustarlas al tamaño total del cerebro, la diferencia entre hombres y mujeres del volumen de la amígdala resultó insignificante (<0,1% en la amígdala derecha y 2,5% en la amígdala izquierda), y no estadísticamente significativa.


El hipocampo de hombres y mujeres es igual de grande

Una investigación de la Universidad Rosalind Franklin de Medicina y Ciencia publicada en NeuroImage en agosto 2015, demostró que el tamaño del hipocampo, parte del cerebro asociada a la consolidación de nuevos recuerdos y a la conexión de las emociones con los sentidos, es prácticamente del mismo tamaño en el hombre y en la mujer.

Lise Eliot, profesora asociada de neurología en la Facultad de Medicina de la universidad, dirigió un equipo de estudiantes en un meta-análisis de volúmenes del hipocampo medidos con resonancia magnética, que no encontró ninguna diferencia significativa entre hombres y mujeres.

El meta-análisis es una técnica estadística que permite a los investigadores combinar los resultados de muchos estudios independientes en una revisión exhaustiva. El equipo examinó los resultados de 76 trabajos publicados, en los que participaron más de 6.000 personas sanas.

Los hipocampos se encuentran a ambos lados del cerebro, bajo la corteza cerebral. Los hallazgos del equipo desafían la afirmación habitual de que un hipocampo desproporcionadamente mayor explica la tendencia de las mujeres hacia una mayor expresividad emocional, habilidades interpersonales más fuertes y una mejor memoria verbal.


Los mapas cerebrales reflejan las diferencias de comportamiento entre hombres y mujeres

Investigación realizada por científicos de la Perelman School of Medicine de la Universidad de Pennsylvania, publicada en la revista Philosophical Transactions of the Royal Society B en febrero 2016.

La investigación se llevó a cabo con 900 personas. A todos ellas se les realizaron escáneres cerebrales con la técnica de imágenes con por resonancia magnética con tensores de difusión (DTI o ITD); así como una batería computarizada de test psicológicos, destinados a medir la seguridad y la velocidad de su rendimiento cerebral. Con estas técnicas, los investigadores lograron desarrollar un conectoma estructural  un mapa de las conexiones neuronales del cerebro de cada sujeto.

Este conectoma reveló que algunas diferencias en los comportamientos de hombres y mujeres iban en paralelo a ciertas distinciones relacionadas con dichas subredes cerebrales.

En concreto, una conectividad estructural más fuerte en las funciones motora, sensorial y ejecutiva encajaba con mayores habilidades espaciales y motoras en los hombres. En las mujeres, las subredes asociadas con la cognición social, la atención y la memoria presentaban una mayor conectividad, lo que encajaba con unas habilidades cognitivo-sociales y de memoria superiores en ellas que en los varones.


No hay un cerebro masculino y otro femenino

Un grupo de investigadores israelíes, alemanes y suizos de la Universidad de Tel Aviv en un estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) en diciembre 2015, ha comparado la anatomía de 1.400 cerebros de hombres y mujeres para concluir que, más que dos categorías, lo que hay es un mosaico cerebral.

El cerebro de cada uno es un mosaico con elementos tanto femeninos como masculinos.

Los investigadores recopilaron imágenes del cerebro de voluntarios de varios proyectos científicos. Las neuro-imágenes se obtuvieron con distintas tecnologías y métodos para evitar sesgos. Mientras unas determinan mejor el grosor de la corteza cerebral, otras registran la estructura y dimensiones de las distintas áreas del cerebro.

No hay ninguna región en las muestras que revele una clara distinción entre una forma masculina y una forma femenina, es decir, que se presente de forma evidente solo en los hombres o solo en las mujeres. En realidad, hay un alto grado de superposición entre mujeres y hombres en todas las regiones estudiadas.

Para que un cerebro humano pudiera clasificarse como exclusivamente de hombre o de mujer, explican los científicos, debería haber un alto grado de dimorfismo y una gran consistencia interna en los rasgos definitorios. Pero la comparación entre la materia blanca, la materia gris y las conexiones cerebrales de 1.400 cerebros concluyó que las características de ambos sexos se solapan. Hay rasgos que están más presentes en uno u otro sexo, pero no hay una barrera nítida que separe los unos de los otros.

La mayoría de los humanos tienen cerebros compuestos por mosaicos de características que los hacen únicos, algunas son más comunes entre las mujeres en comparación con los hombres y otras lo son más en los hombres respecto de las mujeres y aún otras son comunes tanto a hombres como a mujeres. Lo que significa que, en lo que respecta a la estructura del cerebro, hay muchas maneras de ser mujer. Tantas como de ser hombre.


Los hombres tienen más materia blanca, y las mujeres tienen más materia gris

Un estudio de la universidad de Pensilvania, publicado en ScienceDaily en 1999, que analizó mediante escáneres cerebrales a 949 personas con buena salud (521 mujeres y 428 hombres) de entre nueve y 22 años, concluyó que las redes cerebrales podrían explicar las diferencias de comportamiento entre los dos sexos y algunas creencias comunes sobre su comportamiento, como que los hombres tienen más habilidades motoras, o que las mujeres tienen mayor intuición.

Tras realizar una resonancia magnética a 80 voluntarios sanos, de entre 18 y 45 años, se llegó a la conclusión de que las mujeres tienen un mayor porcentaje de materia gris, y los hombres tienen un mayor porcentaje de materia blanca, además de una mayor cantidad de líquido cefalorraquídeo. De hecho, este mayor parte de materia gris en las mujeres tendría bastante lógica, pues se sabe que las mujeres suelen tener un cráneo más pequeño, por lo que no necesitarían tanta materia blanca  conexión entre áreas cerebrales  por puro espacio anatómico.

Además, los investigadores especulan que dicho porcentaje añadido de materia gris contribuiría a las diferencias en el funcionamiento cognitivo entre hombres y mujeres, especialmente en la capacidad de estas últimas para superar a los hombres en tareas como el lenguaje.

La investigación reveló en el hombre una mayor conectividad neuronal de adelante hacia atrás, y dentro de uno de los hemisferios, lo que sugirió que sus cerebros estaban estructurados para facilitar la conectividad entre el centro de la percepción y la acción coordinada. En cuanto a las mujeres, estas conexiones unían el hemisferio derecho, donde se halla la capacidad de análisis y el tratamiento de la información, hasta el hemisferio izquierdo, centro de intuición.

Lo cual explicaría por qué las mujeres son más intuitivas, tienen mejor memoria, habilidades sociales e inteligencia emocional, y por qué los hombres poseen una mejor coordinación y percepción del espacio, están más orientados a la acción, y son mejores en tareas que requieren una respuesta inmediata.

La parte izquierda del cerebro es responsable del pensamiento lógico, mientras que al derecho corresponde el intuitivo. De esta manera, si una tarea implica ambos procesos, parece que las mujeres podrían hacerlo mejor.

Según los investigadores, estos resultados sugieren que los cerebros masculinos están estructurados para facilitar la conectividad entre la percepción y la acción coordinada, mientras que los cerebros femeninos estarían diseñados para facilitad la comunicación entre los modos de procesamiento analítico e intuitivo.

El estudio concluyó que los hombres eran más aptos para aprender y ejecutar una sola tarea, mientras que las mujeres tenían una memoria superior y una mayor inteligencia social.

El cerebro se divide en dos grandes zonas: La materia gris (núcleos neuronales) y la materia blanca (conexiones entre neuronas). Se compone de tres estructuras: cerebro, cerebelo y tronco cerebral.

Por su parte, el cerebro se divide en los hemisferios derecho e izquierdo, donde se encuentran la materia gris y la materia blanca. La zona más externa o corteza se compone de materia gris, donde se encuentran los núcleos neuronales. Dicha materia gris contiene las zonas especializadas en las tareas cognitivas como la memoria, la atención, la conciencia, el pensamiento o el lenguaje. Esta materia gris ocupa el 40% del cerebro, mientras que la materia blanca ocupa el otro 60% restante.

La sustancia blanca permite la comunicación desde y hacia la materia gris, y entre las diferentes zonas corporales y dicha materia gris, donde se procesará la información finalmente en la corteza.


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Diferencias entre el cerebro de hombres y mujeres


Más allá del feminismo moderno y otras corrientes de moda, el hombre y la mujer no son exactamente iguales, sí lo son como seres humanos, en sus valores y derechos, pero desde el punto de vista biológico, la evolución los ha dotado con sistemas nerviosos distintos para realizar los papeles necesarios en la supervivencia de la especie, algo que ocurre en todo el reino animal.


Especialización cerebral

Aunque el cerebro del ser humano en general puede realizar muchas tareas y concentrarse en algunas más específicas que otras, lo cierto es que el aparato mental del hombre está más orientado a la especialización, esto es, que partes de cada hemisferio se focalizan en determinadas labores. En el caso de la mujer, hay una utilización más integral de ambos hemisferios en un número mayor de actividades, lo que se llama multitareas.

Segmentación de la información

En el cerebro masculino, la información se separa en grupos o segmentos que no están necesariamente relacionados, desde las emociones a las relaciones personales, hasta contenido profesional. En el femenino, todo se enlaza como un sistema. Por eso las mujeres tienden a ser holísticas.

Concentración en las tareas

A causa de estas diferencias entre los cerebros del hombre y la mujer, los varones suelen concentrarse a fondo en las actividades que realizan, sin distraerse en otros aspectos. Las mujeres, por el contrario, observan cada evento del mundo como un dibujo completo, con cada una de sus partes interactuando.

Los sentidos en el hombre y la mujer

También en los sentidos y la percepción del mundo hay diferencias entre el hombre y la mujer. En el hombre, la vista es la función dominante, la vía por la cual le entra al sistema nervioso la mayor parte de la información. En las mujeres todos los sistemas operan en conjunto, como los ciegos, tienen muy desarrollados los sentidos del oído, el olfato y el tacto, pero sumados a la visión.

Hemisferios cerebrales y habilidades cognitivas

En el hombre el hemisferio cerebral izquierdo tiene una mayor dominancia. En el caso de las mujeres, se da un balance en el uso de ambos hemisferios, el izquierdo y el derecho. Por eso en las habilidades cognitivas, podemos observar que hay una mayor tendencia en los hombres a ser buenos en las matemáticas y las operaciones de cálculo, mientras que las mujeres tienen facilidad para el lenguaje, actividad que requiere del uso de varias zonas dentro del cerebro.

Capacidad de planificación


Las zonas de la corteza prefrontal, sede de las funciones ejecutivas, son más voluminosas en las mujeres que en los hombres. Eso explicaría por qué las mujeres tienen más funciones de planificación, organización y control de impulsos.




Empatía emocional

Esa capacidad de ponerse en el lugar del otro y entender sus sentimientos está más presente en la mujer, y eso se debería a las diferencias en el sistema de neuronas espejo, la cual se activa cuando reconocemos emociones en la expresión de otros. En cambio, los varones utilizan más el sistema de uniones temporo-parietales, es decir, el de la empatía cognitiva que lleva a la búsqueda de soluciones.

Memoria emotiva

La amígdala, importante para recordar los sucesos emotivos reacciona distinto en varones y mujeres. Los primeros conservan más la memoria de la esencia, es decir, se activa más la amígdala derecha, lo contrario que en las mujeres que recuerdan más los detalles.

Orientación y visión espacial

El hipocampo, la estructura cerebral para la orientación espacial, es mayor en mujeres que en varones. Eso explicaría que los hombres tiendan a estimar las distancias, mientras que las mujeres se basan en puntos concretos de referencia.

Cerebro más grande

En promedio, el cerebro de los hombres es más grande que el de las mujeres, pero eso no es sinónimo de más o menos inteligencia. La razón se basa en el disformismo sexual asociado al mayor tamaño corporal de los varones. Sin embargo, las diferencias en inteligencia se atribuyen más a las conexiones neuronales, relacionadas a la carga genética de cada uno y a sus experiencias personales.

Agresividad

Los varones tienen sobredimensionada el área premamilar, una región del hipotálamo vinculada a la defensa del territorio que es más activa que en las mujeres.

Conducta sexual

La parte del cerebro que procesa la sexualidad es dos veces mayor que el de las mujeres, y en otros mamíferos como los roedores, los machos tienen hasta 7 veces más este comportamiento.

Cerebro multitarea

La mujer tiene el don de poder hacer varias cosas al mismo tiempo, a diferencia de los hombres, según un estudio de la Universidad de Pensilvania realizado en el año 2013. Sin embargo, también es cierto que no siempre el resultado sea eficiente.


Los resultados de todas estas investigaciones apuntan a que los cerebros de hombres y mujeres son muy distintos pero también muy parecidos. Es decir, implican que la discusión sobre el dimorfismo sexual cerebral de los humanos no tiene una respuesta simple. No debería sorprendernos, dada la complejidad de este órgano, considerado un hecho evolutivo excepcional.

Desde un punto de vista médico, comprender bien las diferencias cerebrales entre ambos sexos es importante porque estas pueden ayudar a comprender por qué hombres y mujeres sufren enfermedades mentales diferentes y a tratarlas. Por ejemplo, se sabe que los hombres son mucho más propensos a padecer autismo que las mujeres y las mujeres más propensas a la depresión o la ansiedad que los hombres.

Algunos especialistas creen que las diferencias entre los cerebros masculino y femenino se deben a la tradicional división de trabajo que ha existido no sólo en el ser humano, sino también en otros animales que nos han precedido en la escala filogenética.


agosto 06, 2017

Optogenética – La Gran Revolución del Estudio del Cerebro



La optogenética es como un mando a distancia para activar y desactivar neuronas

El cerebro es el sistema más complejo del universo. Hasta el punto que con las técnicas actuales se hace difícil avanzar en su conocimiento. Esa es la esencia del Proyecto Brain de Estados Unidos y del Proyecto del cerebro humano financiado por la Comisión Europea: buscar nueva técnicas que permitan a los neurocientíficos dar respuesta a cuestiones complejas como las enfermedades mentales, neurológicas o neurodegenerativas.

En esa línea la optogenética ha supuesto una revolución porque permite activar y desactivar circuitos neuronales en animales vivos y ver cómo cambia su comportamiento. Nacida de la óptica y la genómica, es una técnica prometedora para comprender mejor los traumas y las enfermedades neurodegenerativas y está causando furor en el mundo de la neurociencia actual, tanto que fue nombrada como “Técnica del año” por la revista Nature en 2010.

La optogenética es un avance científico del siglo XXI. Aunque es en 1999, en la Universidad de California en San Diego, cuando se proponen los primeros conceptos para su desarrollo, es entre los años 2002 y 2005 cuando varios investigadores comienzan a poner en práctica sus metodologías de forma completa. Sería primero Richard Fork y más tarde Rafael Yuste, quienes activaron las neuronas con el uso de la luz, pero Boris Zemelman en el año 2002 lo haría proyectando la luz sobre neuronas genéticamente sensibilizadas, y dar nacimiento a la Optogenética.

El verdadero artífice de esta revolución fue el bioingeniero y psiquiatra Karl Deisseroth, profesor de la universidad de Standford. Esta idea de poder manejar células y tejidos no habría podido llevarse a cabo sin el descubrimiento de lo que hoy en día se denominan opsinas, unas proteínas propias de microorganismos que son capaces de regular el flujo de carga eléctrica (mediante el movimiento de iones) a través de sus membranas en respuesta a la luz. En el año 2000, unas décadas después del descubrimiento de las primeras opsinas (bacteriorodopsina y halorodopsina) se consiguió aislar una nueva proteína de un organismo unicelular, el alga Chlamydomonas reinhardtii, a la que se le dio el nombre de  Channelrodopsina 2 (ChR2).

La invención de la optogenética aceleró enormemente el ritmo de los avances en la ciencia del cerebro. Pero los científicos estaban limitados por la dificultad de suministrar luz en el tejido cerebral de manera profunda. Ahora, microchips flexibles y ultra-finos, cada uno apenas más grande que una neurona, están siendo probados como dispositivos inyectables para poner los nervios bajo control inalámbrico. Pueden ser insertados profundamente en el cerebro con un daño mínimo al tejido adyacente.

La optogenética es una técnica que se usa para “encender” y “apagar” grupos de neuronas del cerebro. Este método combina la genética, la óptica y la virología con el fin de estudiar e incluso tratar algunas enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y el Alzheimer, o trastornos tan comunes como la ansiedad, el insomnio o la epilepsia.

Sin necesidad de electrodos, la optogenética implica un control muy sutil de los mecanismos neuronales. Esta novedosa técnica consiste en inyectar en escogidos grupos de neuronas un virus benigno que contiene proteínas foto-receptoras  denominadas opsinas  cuya información genética proviene de unas algas fotosensibles. Así las células neurales se vuelven sensibles a la luz. Las proteínas, que actúan como interruptores, encienden o apagan las neuronas en función de los destellos de luz enviados en mili-segundos mediante cables de fibra óptica. Esos haces luminosos pueden estimular o suprimir determinados pensamientos y recuerdos.

Insertando uno o más genes de opsina en determinadas neuronas en ratones, los biólogos están ahora en condiciones de utilizar luz visible para activar o desactivar neuronas específicas a su voluntad. Con el paso de los años, los científicos han adaptado versiones de estas proteínas para que respondan a distintos colores, que van del rojo oscuro, al verde, al amarillo, al azul. Al poner diferentes genes en diferentes células, utilizan pulsos de luz de varios colores para activar una neurona y luego varias de sus vecinas en una secuencia de tiempo precisa.

Un cerebro genéticamente modificado

Con el tiempo los expertos de optogenética esperan que esta técnica, además de perfeccionar nuestro conocimiento del cerebro sano, permitirá curar mejor el cerebro enfermo.

Entre las neuronas, algunas, las dopaminérgicas  liberan la dopamina  son las que se degeneran en la enfermedad de Parkinson; otras, las colinérgicas  liberan la acetilcolina  son importantes para la atención y la memoria y son las primeras a marchitarse en la enfermedad de Alzheimer; otras las serotoninérgicas  liberan serotonina  desempeñan un papel clave en el sueño y sus trastornos.

Con los métodos de la ingeniería genética utilizada en la optogenética, es muy posible focalizar, entre las 100 billones de neuronas, una u otra de estas poblaciones específicas. Por ejemplo, sólo las neuronas dopaminérgicas, relativamente poco numerosas. Y sobre-activarlas artificialmente a través de flashes luminosos, para aumentar su producción de dopamina, reduciendo los síntomas de la enfermedad de Parkinson.

La canalrodopsina-2 (ChR2): ingrediente clave de la optogenética

La canalrodopsina-2 (ChR2) es un canal en la membrana similar a los canales sodio que controlan los picos en las neuronas, con la diferencia de que la luz en la longitud de onda azul es la que lo abre, permitiendo que cualquier ion cargado positivamente lo atraviese. Por tanto, cuando la luz azul es proyectada sobre las neuronas que contienen ChR2, los iones de sodio, cargados positivamente, son capaces de entrar en la neurona antes de que otros canales en su membrana se abran. Esta carga añadida en el interior de la célula abre las compuertas para que incluso más iones de sodio puedan entrar y se tiene neuronas activas produciendo.

Cuando luz azul ilumina ChR2, éste se abre, permitiendo que los iones cargados positivamente atraviesen la membrana celular. Esto “activa” la neurona produciendo muchos potenciales de acción.

En 2003, un grupo de científicos en Alemania publicó un artículo en el que utilizaban con éxito una proteína sensible a la luz y procedente de algas verdes, la canalrodopsina (del inglés, channelrhodopsin) en células renales de mamífero en cultivo. Estos descubrimientos indicaban que quizás estas proteínas serian viables a la hora de expresarlas en neuronas.

Ed Boyden y Karl Deisseroth de la universidad de Stanford en 2005 consiguieron ChR2 del grupo de Alemania y comenzaron a perfeccionar la forma de llevar la proteína a las neuronas en una placa. Un solo gen era suficiente para hacer que la proteína fuera totalmente funcional, se expresaba en neuronas de mamíferos, y funcionaba en una escala temporal lo suficientemente rápida como para ser compatible con la comunicación neuronal.

Con el paso de los años extendieron las herramientas de la optogenética añadiendo proteínas, que al contrario de ChR2, inactivasen neuronas cuando se las excitaba con luz de una determinada longitud de onda. Hoy en día, existen muchas opsinas diferentes optimizadas genéticamente, como por ejemplo existe un set de opsinas “paso-función” (del inglés, step-function) que solo necesitan un breve pulso de luz para “encender o apagar” la neurona por un periodo de tiempo prolongado, esperando por otro pulso de luz que las devuelva a su estado normal.

Opsina paso-función
Se han logrado muchos avances, específicamente crear artificialmente otras proteínas similares a la ChR2, pero que actúan de diferentes maneras, por ejemplo desempeñando el papel de inhibidor en lugar de activador, reaccionando a los diferentes colores o con tiempos de respuesta modificados.

El avance más importante ha sido su aplicación en subgrupos de neuronas. La optogenética puede utilizarse para encender o apagar un área cerebral e identificar su papel en el comportamiento, pero también para enfocarse en tipos específicos de neuronas en una misma región cerebral.

Con los años, la modificación mediante la ingeniería genética de proteínas existentes, así como el descubrimiento de otras proteínas sensibles a la luz, han permitido que los investigadores tengan acceso a una gama de herramientas para el control de la activación de las neuronas.

Funcionamiento


Etapas para la aplicación de la optogenética al estudio del cerebro

La optogenética se basa principalmente en la inserción, en el cerebro, de los genes codificantes de una proteína foto-activa generalmente de origen bacteriano, llamada opsina.

El gen de una micro-alga que se utiliza para sintetizar la opsina, una proteína sensible a la luz, es aislado y modificado en laboratorio.

Este gen está asociado con un promotor, pequeño fragmento del ADN que permite limitar la activación a un determinado tipo de neurona; según el promotor solicitado, se apunta a una población específica de neuronas.

El conjunto se inserta en un virus desactivado, que, cuando se inyecta en el cerebro del conejillo de Indias, servirá como vector en su interior.

La optogenética permite controlar el ratón a distancia, gracias a una fibra óptica que emite directamente la luz en su cerebro.


La fibra óptica introducida en el cerebro envía un flash luminoso para hacer reaccionar las neuronas específicas después que éstas hayan fabricado  la opsina con ayuda del gen.

Al activarse para construir un recuerdo, las neuronas producen proteínas específicas que pueden ser etiquetadas mediante la ingeniería genética con otras proteínas emisoras de luz, de forma que las células neuronales se iluminen cuando empiecen a fabricar un recuerdo. Los científicos ven algo parecido a las luces en las ventanas de un edificio de oficinas de noche que insinúan la ubicación de los trabajadores en su interior.

Hay diferentes opsinas reaccionando a luces de diferentes colores; algunas activan la neurona, otras la inhiben.

Esta técnica tiene implicaciones reales y de gran importancia para el tratamiento de algunas patologías hoy en día todavía incurables entre las que cabe destacar:

* Ha servido para controlar ataques epilépticos en modelos animales experimentales.

* Al manipular las neuronas dopaminérgicas que forman parte del circuito de recompensa del cerebro, se ha podido potenciar o evitar la adicción a la cocaína o tratar a animales enfermos de Parkinson.

* El control neuronal del sueño y la vigilia ha podido ser manipulado a voluntad. La activación optogenética de unas neuronas llamadas hipocretinas interrumpe el sueño de un animal profundamente dormido, mientras que la inhibición optogenética de estas neuronas provoca un estado inmediato de sueño profundo en animales que estaban despiertos al momento de aplicar el estímulo luminoso. Estos hallazgos han sentado las bases para desarrollar fármacos que modulen el sueño y para el tratamiento de trastornos como la narcolepsia.

* Con la ayuda de métodos optogenéticos, se pudo activar selectivamente a un grupo de neuronas del hipotálamo. La activación de estas neuronas por sí solas fue suficiente para inducir apetito, incluso en animales saciados y sin necesidad de previo entrenamiento, demostrando que una conducta compleja como la alimentación puede ser controlada optogenéticamente. Por otra parte, la activación de otro grupo de neuronas, localizadas en la misma región del cerebro, reduce el apetito y produce pérdida de peso corporal en menos de 24 horas, lo que podría ser utilizado como futuro tratamiento para pacientes con obesidad.

* Si se produce una arritmia cardíaca, el corazón nuevamente puede bombear sangre al ritmo de la luz. De hecho, se ha desarrollado el primer marcapasos basado en la optogenética.

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La optogenética permite recuperar recuerdos perdidos

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), según un estudio publicado en la revista Science en mayo 2015, han sido capaces de etiquetar, en cerebros de ratones, las neuronas que almacenan un recuerdo y reactivarlas a voluntad con un rayo de luz azul.

El equipo se centró en intentar sintonizar la memoria con dos objetivos: borrar los malos recuerdos y mejorar las memorias positivas. Para lograrlo, se fijaron en un neurotransmisor específico del cerebro, la acetilcolina, una molécula que sirve de mensajero a nivel cerebral.

Los investigadores ha especulado de que en algún lugar de la red cerebral haya una población de neuronas que se activan durante el proceso de adquisición de la memoria, causando cambios físicos o químicos que la soportan.

Experimento optogenético
 realizado con ratones
Para averiguar si estos cambios químicos tienen lugar realmente, los investigadores identificaron primero un grupo de células engramáticas del hipocampo que, al ser activadas con las herramientas optogenéticas, fueran capaces de expresar un recuerdo.

Al registrar un acontecimiento en la memoria, se conectan entre sí neuronas en zonas especializadas en tareas diferentes del cerebro. La ruta de almacenaje de un recuerdo tiene dos vías: los datos neutros (dónde y qué sucedió) se guardan en el hipocampo, la cara interior del encéfalo; y el significado emocional, en la amígdala. La acetilcolina llegaría a la amígdala, donde las neuronas colinérgicas la recibirían para formar los recuerdos.

Los investigadores, entonces, intentaron descubrir qué sucede a los recuerdos sin este proceso de consolidación. Administraron un compuesto llamado anisomicina, que bloquea la síntesis proteínica dentro de las neuronas, inmediatamente después de que los ratones habían formado una nueva memoria, pudiendo evitar el fortalecimiento de las sinapsis.

Cuando los investigadores reactivaron las células engramáticas, con sus bloqueadas proteínas de síntesis, usando las herramientas optogenéticas, encontraron que los ratones mostraron todos los signos de recordar dicha memoria en su totalidad.

Para ahondar más en los mecanismos de este tipo de neuronas, los investigadores usaron un método de memoria basado en el miedo en ratones de laboratorio, ya que el miedo es un tipo de memoria emocional muy potente. Cuando aumentaban la liberación del neurotransmisor acetilcolina en la amígdala durante la formación de un recuerdo traumático, dicho recuerdo se reforzaba hasta dos veces más que un recuerdo normal. Por otro lado, si se disminuía la acetilcolina en la amígdala durante una experiencia traumática, eran capaces de acabar con la formación del recuerdo.

El equipo de científicos ha experimentado que un recuerdo puede sustituirse en el hipocampo, pero no en la amígdala, por lo que su valor emocional no podría borrarse. Sin embargo, estos investigadores han observado que las conexiones neuronales de ambas partes del cerebro se modifican al cambiar los recuerdos. Estas conclusiones se deben al trabajo aplicado en ratones, grabando y reproduciendo los recuerdos agradables con un haz luminoso sobre las neuronas y generando malos recuerdos mediante descargas eléctricas. Se ha comprobado que, si se le activa un recuerdo bonito, un ratón es capaz de quedarse en el lugar de la jaula que antes rehuía. Su actitud es opuesta a la de los ratones que asocian ese espacio con el mal recuerdo de la descarga.

Esta investigación ha permitido disociar los mecanismos de almacenamiento de la memoria de aquellos que permiten entrenarla y recuperarla. Esto demuestra que en algunas formas de amnesia la memoria del pasado tal vez no fue borrada, pero es simplemente 'inaccesible'. Estos trabajos proporcionan una luz sorprendente sobre la naturaleza de la memoria y estimularán más investigación sobre la biología de la memoria y su restauración clínica.

Una experiencia que arroja nueva luz sobre el mecanismo biológico de la amnesia y potencialmente abre el camino para los tratamientos. Esta investigación avanza la comprensión de la naturaleza de la amnesia.


El calcio revela las conexiones entre neuronas

Investigadores del Colegio Universitario de Londres (UCL) han elaborado un estudio, publicado en Nature Methods en diciembre 2016, sobre el almacenaje y la manipulación de la actividad cerebral que permite determinar qué neuronas contribuyen a una determinada función.

Su experimento, combina la optogenética con otro método de vanguardia neurotecnológica: el calcium imaging, que detecta la activación neuronal al incrementar la concentración de calcio cuando empiezan los impulsos nerviosos. El equipo ha utilizado un modulador espacial que divide la luz en un holograma consistente en pequeños haces que, por ejemplo, activan de manera simultánea seis neuronas implicadas en formar una cara sonriente.


Aplicaciones clínicas de la optogenética


Aunque la optogenética se utiliza fundamentalmente con ratones, se puede hacer una traslación a nivel básico: los ratones tienen muchas estructuras cerebrales semejantes a las humanas, aunque en el cerebro humano todo está ampliado y es más complejo.


Los experimentos optogenéticos se han multiplicado utilizando proteínas microbianas para controlar los movimientos de pequeños organismos como nematodos o moscas de la fruta. Su grado de perfeccionamiento ha sido insólito desde entonces.

En breve, la optogenética podrá utilizarse contra la ceguera, para tratar de devolver parte de la visión perdida con lesiones de retina. Su aplicación también podría sustituir los marcapasos cerebrales para el Parkinson, perfeccionar nuevas prótesis para la pérdida auditiva, revelar con más precisión el mecanismo responsable del sueño REM y mitigar la adicción en consumidores de cocaína.

La optogenética también explora emociones, sentimientos y patologías como la depresión y la ansiedad. Sin embargo, cuando se trata de estructuras como la corteza cerebral, la parte más evolucionada de nuestro cerebro y que nos da ventaja respecto a otras especies, los resultados obtenidos con animales son más difíciles de trasladar a nuestra especie.

La optogenética se utiliza en el campo de la robótica. Investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado en julio de 2015 un raybot, mitad robot mitad organismo, cuya trayectoria y puesta en movimiento son controladas por la optogenética. Constituido de un cuerpo de elastómero, de un esqueleto de oro capaz de almacenar energía elástica, el organismo está cubierto con células vivas del corazón de ratas modificadas genéticamente para ser fotosensibles. Expuestos a la luz, los cardiomiocitos se contraen y se accionan las aletas. Cada aleta se ajusta a un modelo específico de luz, que permite que el robot gire. Esta nueva tecnología hace presagiar varios beneficios positivos, particularmente en la ingeniería de tejidos. Aprender a estructurar y controlar las células del corazón podría conducir a la creación de corazones artificiales para el trasplante.

Sería posible hacer que las neuronas humanas sean fotosensibles especialmente con el uso de un vector viral inofensivo, diseñado para proporcionar temporalmente la opsina.


La optogenética inicia ensayos clínicos en humanos

La optogenética para terapias humanas está en las primeras etapas de su desarrollo. Desde que se publicaron los primeros trabajos sobre optogenética a mediados de la década pasada, algunos investigadores han especulado con el uso de la optogenética en pacientes, imaginando por ejemplo la posibilidad de tener un interruptor para controlar la depresión.

De momento la optogenética no está suficientemente desarrollada para utilizarla en el cerebro de las personas, ya que la técnica requiere introducir un cable de fibra óptica para llevar la luz al cerebro, un método que antes de aplicar a los humanos debe garantizar su seguridad.

Células del corazón
controladas por la luz
La técnica implicaría someter a los pacientes a procedimientos médicos altamente invasivos, como ingeniería genética para insertar interruptores moleculares en las neuronas, y enroscar una fibra óptica en el cerebro para activar dichos interruptores.

Ahora, los ensayos clínicos podrían ser posibles por primera vez debido a los avances tecnológicos significativos. El implante emisor de luz puede ser reemplazado por un parche, eliminando la necesidad de la cirugía invasiva. Y aunque los virus hayan facilitado la manipulación genética en humanos, todavía no es perfecto. Pronto, nuevas herramientas de modificación genética como CRISPR (genes de ADN que contienen repeticiones cortas de secuencias de bases) podría proporcionar la solución más elegante hasta la fecha, pero sólo si los funcionarios simplifican las regulaciones que rodean el uso de CRISPR en seres humanos.

En noviembre 2015, Circuit Therapeutics anunció que había recibido un contrato de DARPA para usar la optogenética para tratar el dolor crónico. Los tratamientos para esa condición probablemente serán los primeros en ser probados en ensayos clínicos. Si los experimentos van bien, el tratamiento podría estar disponible en una década, abriendo la puerta a la optogenética para ser utilizada en tratamientos clínicos para una serie de otras condiciones.

El objetivo, explicó el bioquímico y médico Karl Diesseroth, es comenzar otros ensayos en ciertas formas de dolor superficial originadas por el sistema periférico, como los dolores causados por la diabetes o el dolor posquirúrgico, o los dolores provocados por trastornos intestinales o del movimiento.

Se puede comenzar ensayos clínicos con optogenética para tratar el dolor crónico, porque sería una terapia menos invasiva que las que requieren implantación de electrodos dentro del cerebro. Las neuronas afectadas por dolor crónico son relativamente accesibles, ya que residen dentro y justo por fuera de la médula espinal, y son mucho más fáciles de manipular que el cerebro. Incluso se puede actuar sobre las terminaciones nerviosas de la piel, que son todavía más fáciles de alcanzar.

El reto principal que afrontan las terapias de optogenética es cómo insertar los genes que produzcan canales de opsina en las neuronas humanas adultas.

El segundo obstáculo es cómo iluminar las neuronas que llevan los canales opsina, de manera que se encienda o apague el circuito cerebral deseado. En humanos suministrar luz directamente al cerebro requeriría cirugía mayor, pero silenciar las neuronas periféricas que transmiten el dolor sería mucho menos invasivo. Aunque las neuronas fuera del cerebro son más accesibles, también son difíciles de activar con luz, porque un dispositivo emisor rígido podría dañar el delicado tejido nervioso.

La optogenética puede devolver la vista a personas ciegas

Neurocirujanos del centro RetroSense Therapeutics en Michigan prueban por primera vez en humanos, en febrero 2016, una nueva técnica de optogenética que puede devolver la vista a las personas ciegas que tienen la retina dañada.

El método se ha probado con éxito en ratones y monos. Si tiene éxito también con humanos, supondría la cura de un tipo de ceguera conocida con el nombre de retinitis pigmentosa, una degeneración de las células de la retina sensibles a la luz, causando la pérdida de la visión periférica y nocturna y, con el tiempo, la ceguera total.

Los médicos de RetroSense Therapeutics van a insertar el virus con el gen sensible a luz en las neuronas que hay en los ojos, encargadas de retransmitir la luz desde la retina al cerebro. El objetivo es saltarse la retina y llevar la información que genera la luz directamente desde las células modificadas con el virus, al cerebro.

Los primeros 15 pacientes que van a recibir este tratamiento no están completamente ciegos, pero apenas pueden distinguir objetos que tienen delante de la cara. Si la optogenética tiene éxito esperan que puedan ver también objetos de la periferia, e incluso leer letras grandes.

La gran duda ahora es saber realmente cómo será esa visión recuperada por los pacientes. Puesto que la proteína introducida por el virus sólo reacciona a un tipo de luz, lo más probable es que los pacientes sólo puedan ver en monocromo. Por eso esperan ansiosos los resultados.


Premio  Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento: A los impulsores de la optogenética

El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Biomedicina ha recaído (enero 2016) en los neurocientíficos Edward Boyden, Karl Deisseroth y Gero Miesenbök, por desarrollar y perfeccionar la técnica que utiliza la luz para activar o desactivar las proteínas en las neuronas,  con una precisión sin precedentes. La Fundación BBVA reconoce la optogenética, el control de las neuronas con luz.

Edward Boyden, Karl Deisseroth y Gero Miesenbök
Los galardonados han destacado cómo el mejor conocimiento sobre los circuitos neuronales implicados en enfermedades permitirá desarrollar fármacos mucho más específicos que los actuales  compuestos que actúen directa y específicamente sobre esos circuitos , ya que es un grado de precisión en el tratamiento de la enfermedad mental o neurológica muy superior al que se tiene hoy.

Desde el desarrollo de esta técnica, miles de investigadores han utilizado la optogenética para investigar funciones como el sueño, el apetito, la toma de decisiones, la percepción del tiempo o la formación de recuerdos, así como para comprender enfermedades como la epilepsia, el Parkinson, la depresión o incluso algunas formas de ceguera.

También se ha querido reconocer a los tres galardonados su capacidad por dar a conocer y distribuir esta técnica para que científicos de todo el mundo puedan tener acceso a él y utilizarlo en sus investigaciones.

Publicaron su trabajo en 2005, y desde entonces la técnica ha seguido mejorándose, por ejemplo con proteínas que reaccionan a distintas velocidades y a diferentes tipos de luz, lo que amplía la variedad de funciones cerebrales que pueden ser estudiadas.

En 2013, el prestigioso Brain Prize ha sido otorgado a los seis inventores de la optogenética, Ernst Bamberg, Edward Boyden, Karl Deisseroth, Peter Hegemann, Gero Miesenböck y Georg Nagel por la invención y el desarrollo de la optogenética.

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El cerebro humano se compone de unas 100.000 millones de neuronas. Éstas son las encargadas de transmitir la información que nos define, así como nuestra conducta: nuestras reacciones psicológicas y forma física (actúan sobre el sistema motriz). Así que encontrar un mecanismo por el cuál podamos acceder y “controlar” su funcionamiento nos abre infinitas posibilidades, no sólo para el tratamiento de enfermedades, sino a infinitos campos relacionados con nuestra memoria individual y colectiva, nuestra psiquis en general.

Aunque haya surgido a mediados de la década del 2000, la optogenética ya ha renovado profundamente el paisaje de Neurociencias. Moscas con vinagre, ratón y pez cebra han sido designados voluntarios, con resultados asombrosos.


La optogenética no es más peligrosa que otros métodos. Biólogos y médicos han tenido durante mucho tiempo la capacidad de cambiar comportamientos a través de intervenciones farmacológicas, eléctricas y ambientales, por lo que la optogenética no plantea cuestiones éticas nuevas en lo fundamental. Las limitaciones técnicas que la optogenética para su uso en humanos, la hacen de momento inviable, es porque se requiere el uso de virus para inyectar la proteína sensible a la luz en las neuronas que quieren manipularse.

Además de las perspectivas de beneficios en el tratamiento de enfermedades neurológicas y la creación de órganos artificiales, la optogenética, como otros modificadores neuronales, abre toda una serie de cuestiones éticas relacionadas con el control y la modificación de la memoria, de los recuerdos.

El potencial de esta técnica es tal que no sólo ayuda a comprender la personalidad y las emociones, sino también a encontrar el origen de la agresividad y a propiciar terapias específicas para distintas enfermedades mentales.


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