La actividad cerebral humana

Uno de los aspectos más notables durante la evolución del..

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La actividad cerebral humana

Uno de los aspectos más notables durante la evolución del sistema nervioso central de los vertebrados es la aparición de unas láminas superficiales de neuronas que constituyen la llamada corteza cerebral. El telencéfalo de los anfibios carece de corteza, en los reptiles sí existe y está formada por 3 capas, pero es en los mamíferos que esta corteza se ha desarrollado particularmente. De hecho, por encima de esta corteza “simple” o trilaminar los mamíferos poseen otra estructura muy compleja (típicamente con cinco o seis capas) que por su aparición tardía en la evolución se ha llamado neocorteza. Esta neocorteza está ocupada por áreas sensoriales y motoras, y durante el curso de la evolución se ha ido desarrollando hasta alcanzar su máxima complejidad en el hombre. En mamíferos lisencéfalos de pequeño tamaño considerados primitivos como el erizo, el ornitorrinco o la zarigüeya, la extensión relativa de la neocorteza es todavía pequeña (10-20% del volumen total del cerebro), pero en otros mamíferos como en los cetáceos y primates esta estructura alcanza dimensiones enormes, llegando a ser la región más grande del cerebro (representa el 80% en el hombre).

Gracias a la evolución del cerebro somos capaces de realizar tareas tan sumamente complicadas y humanas como escribir un libro, componer una sinfonía o inventar el ordenador. Sin embargo,todavía no sabemos cuáles son los mecanismos biológicos responsables de la actividad mental humana. Así, el gran reto de la neurociencia es el estudio de la corteza cerebral pues representa el fundamento de nuestra humanidad; ya que allí se encuentran las capacidades que distinguen al hombre de otros mamíferos. Santiago Ramón y Cajal (1852-1934), quien hizo las primeras contribuciones importantes al estudio de la microestructura de la neocorteza a finales del siglo XIX, dice en su libro autobiográfico Recuerdos de mi vida (1917):

“Sentía yo entonces vivísima curiosidad -algo novelesca- por la enigmática organización del órgano del alma. Reina el hombre -me decía- sobre la Naturaleza por la excelencia arquitectónica de su cerebral […] Parecíame improbable y hasta un poco atentatoria á la dignidad humana, la opinión generalmente aceptada de que entre el cerebro de los mamíferos (gato, perro, mono, etc) y el del hombre median solamente diferencias cuantitativas […] Pero el lenguaje articulado, la capacidad de abstracción, la aptitud de forjar conceptos y, en fin, el arte de inventar instrumentos ingeniosos… ¿no parecen anunciar la existencia de resortes originales, de algo, en fin, cualitativamente nuevo y justificativo de la nobleza psicológica del homo sapiens? […] Microscopio en ristre lancéme pues, con mi habitual ardor, á la conquista de la pretendida característica anatómica del rey de la Creación, á la revelación de esas enigmáticas neuronas estrictamente humanas, sobre las que se funda nuestra superioridad zoológica”.



Aunque parezca sorprendente, a pesar de que la ciencia ha avanzado de un modo espectacular en las últimas décadas, permitiendo el estudio del cerebro desde todos los ángulos posibles -morfológico, molecular, fisiológico y genético-, todavía no sabemos cuáles son las características funcionales y microanatómicas fundamentales que distinguen al cerebro humano del cerebro del resto de los mamíferos. Es decir, desconocemos cuál es el substrato neuronal que hace que las personas sean humanas, o en otras palabras, qué tiene de especial la neocorteza humana y cómo se diferencia de otras especies. Esta carencia de información se debe principalmente a la dificultad de utilizar técnicas anatómicas apropiadas para el estudio del cerebro humano, ya que en muchos casos se requiere una manipulación técnica que, por razones éticas, es imposible de aplicar al cerebro humano. A pesar de esta gran complejidad y dificultad para estudiar el cerebro, veremos que gracias a la disponibilidad y refinamiento de ciertas técnicas ha sido posible avanzar notablemente en este tema de investigación.

La célula piramidal y evolución de la corteza cerebral

Las células piramidales son las neuronas más típicas y abundantes de la corteza cerebral, constituyendo la principal fuente de sinapsis corticales. Además, son virtualmente las únicas células de proyección de la corteza cerebral. Es decir, la información que se procesa en una región dada de la corteza sale de ella a través de los axones de las células piramidales para alcanzar otras áreas corticales o núcleos subcorticales. El estudio de las células piramidales, y en concreto unas zonas llamadas espinas dendríticas constituye una de las líneas principales de investigación actuales porque: a) representan el principal sitio postsináptico en donde se establecen las sinapsis excitadoras, b) son elementos clave en la plasticidad del cerebro, y c) sus alteraciones constituyen el correlato anatomopatológico más consistente en diversos tipos de deficiencias mentales.

Cajal en numerosas ocasiones hablaba de la mayor complejidad de la arborización dendrítica de las células piramidales en el cerebro humano en comparación con otras especies, pero como no realizó estudios cuantitativos, estas ideas permanecieron prácticamente olvidadas hasta la introducción en tiempos recientes de nuevas técnicas. Por ejemplo, actualmente, se ha desarrollado un método de análisis microanatómico muy útil que consiste en la inyección intracelular de agentes químicos en neuronas de cerebros humanos obtenidos a partir de autopsias. Mediante una micropipeta de menos de 2 mm de diámetro, se penetra en el interior del cuerpo de la neurona para inyectar una sustancia fluorescente (Lucifer Yelow) que se difunde a lo largo de sus prolongaciones dendríticas, lo que permite la visualización de su arborización dendrítica completa y sus posibles conexiones con otras neuronas.

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Además, estas neuronas se pueden examinar utilizando métodos morfométricos u otras técnicas de análisis morfológicos (Figura 2). Por ejemplo, el número total de espinas dendríticas que presentan las células piramidales se encuentra determinado por la longitud de los árboles dendríticos y la densidad de las espinas a lo largo de las dendritas. Por otra parte, el número de espinas que tiene una célula piramidal refleja en buena medida el número de aferencias excitadoras que recibe y, por tanto, su capacidad para procesar esta información.

Utilizando este método hemos realizado estudios comparativos entre diferentes áreas corticales y especies. Por ejemplo, se ha encontrado que las células piramidales de la corteza temporal humana exhiben aproximadamente el doble de espinas dendríticas que en la corteza temporal del macaco y el tití, y unas 5 veces más que en la corteza somatosensorial del ratón (Figura 3).

Además, las células piramidales de la corteza prefrontal humana tienen el 72% más espinas que en la corteza prefrontal del macaco, y aproximadamente 4 veces más espinas que en la corteza prefrontal del tití o la corteza frontal del ratón. Estos datos indican que las células piramidales de la corteza cerebral humana son capaces de integrar un mayor número de aferencias que las células piramidales de cualquiera de las otras especies estudiadas, y que existen diferencias notables entre áreas corticales y especies, confirmando la idea de Cajal sobre la mayor complejidad de las células piramidales en ser humano.

Por otra parte, comparando el tamaño de las espinas dendríticas de la corteza humana con el de ratones, se ha encontrado que las cabezas de las espinas en el humano tienen el 100% más de volumen que en la corteza somatosensorial del ratón (Figura 3), y éstas a su vez presentan el 30% más de volumen que en la corteza visual/ temporal de este animal. También, se ha descubierto que la longitud del cuello de las espinas es significativamente más larga (aproximadamente el 30%) en el humano que en el ratón. Estas diferencias en el tamaño de la cabeza de las espinas y en la longitud del cuello son importantes, puesto que existe una clara relación entre la morfología (tamaño de la cabeza y longitud del cuello) y la función (propiedades biofísicas) de las espinas. En resumen: el estudio comparativo de las espinas dendríticas sugiere que no solamente las células piramidales de la corteza cerebral humana son capaces de integrar un mayor número de aferencias que las células piramidales de cualquiera de las otras especies estudiadas, sino que, además, la morfología de las espinas varía entre especies, lo que indica la existencia de diferencias en las propiedades biofísicas y en los mecanismos de neurotransmisión a nivel de las mismas. También a nivel de microscopía electrónica se ha observado que el número de sinapsis asimétricas (excitadoras) y simétricas (inhibidoras) por neurona es mayor en el humano que en el ratón y la rata, lo que indica una mayor complejidad de los circuitos excitadores e inhibidores.

Probablemente, a medida que se realicen más estudios detallados sobre la microanatomía cortical humana, se descubran muchas más diferencias entre especies. Por supuesto, no sabemos cuál puede ser el significado de todas estas variaciones estructurales a la hora de tratar de correlacionarlos con las cualidades humanas o de otras especies,pero creemos que estas observaciones representan un paso más para abordar el apasionante tema del estudio del substrato neuronal que hace al hombre ser humano.

Pequeño pero poderoso

A pesar del pequeño tamaño del cerebro humano (1.400 gramos) se estima que está formado por miles de millones de neuronas especializadas en el procesamiento y transmisión de información a otras neuronas. Sólo en la corteza humana existen 21.000 millones de neuronas interconectadas por 300 billones de sinapsis. Estas células están constituidas por un cuerpo celular del que surgen varias prolongaciones de las cuales solamente una de ellas es el axón y el resto las dendritas, que reciben señales de entrada procedentes de otras neuronas. Tras la combinación e integración de esta información, la neurona emite una señal de salida que se transporta a través del axón hasta los terminales axónicos que distribuyen la información a un nuevo conjunto de neuronas, mediante unas estructuras altamente especializadas denominados contactos sinápticos. De esta forma, el cerebro se puede considerar como un inmenso centro de procesamiento de información y de emisión de señales que sirve para gobernar nuestro propio organismo y conducta y para comunicarnos con otros seres vivos.