21 diciembre 2014

Bases moleculares de la evolución de la visión a color en humanos



18 de diciembre 2014
Fuente: Emory Health Sciences
Se requirieron muchas mutaciones genéticas de los pigmentos visuales a lo largo de millones de años, para que la visión de los humanos evolucionase a partir de un mamífero primitivo con una sombría visión del mundo a un simio capaz mayor de ver todos los colores del arco iris. Ahora, después de más de dos décadas de ardua investigación, los científicos han terminado un cuadro detallado y completo de la evolución de la visión humana a color. PLoS Genetics publicó: El proceso de cómo los seres humanos pasaron de ver los rayos ultravioleta (UV) a la visión violeta, o la capacidad de ver la luz azul. "Ahora hemos rastreado todas las vías de evolución, que se remonta a unos 90 millones años, que llevaron a la visión humana del color", dice el autor principal Shozo Yokoyama, un biólogo de la Universidad de Emory. "Hemos aclarado estas vías moleculares a nivel químico, a nivel genético y a nivel funcional." Los co-autores del artículo PLoS Genetics incluye a los biólogos de Emory, Jinyi Xing, Yang Liu y Davide Faggionato; el biólogo de la Universidad de Syracuse William Starmer; y Ahmet Altun, un químico y ex post-doc en Emory que ahora trabaja en la Universidad Fatih en Estambul, Turquía. Yokoyama y varios colaboradores en los últimos años se han burlado de los secretos de la evolución de la visión en los seres humanos y otros vertebrados mediante el estudio de moléculas ancestrales. El largo proceso implica primero la estimación y la síntesis de proteínas y pigmentos de una especie ancestral para, a continuación, llevar a cabo experimentos con ellos. La técnica combina la microbiología con cálculo teórico, biofísica, química cuántica y la ingeniería genética. Cinco clases de genes opsina codifican los pigmentos visuales de luz tenue y la visión del color. Los genes opsina cambian y adaptan la visión al medio ambiente de una especie sujeta a cambios. Hace unos 90 millones de años, nuestros antepasados mamíferos primitivos eran nocturna y tenía el color UV-sensible y sensible al rojo, dándoles una visión bi-cromática del mundo. Hace unos 30 millones de años, nuestros antepasados habían evolucionado hasta poseer cuatro clases de genes opsina, dándoles la capacidad de ver el espectro a todo color de la luz visible, a excepción de los rayos UV. "Los gorilas y los chimpancés tienen la visión humana del color", dice Yokoyama. "O tal vez deberíamos decir que los seres humanos tienen visión como el gorila y chimpancé." Para el artpiculo de PLOS Genetics, los investigadores se centraron en los siete mutaciones genéticas implicadas en la pérdida de la visión UV y el logro de la función actual de un pigmento sensible al azul. Ellos trazaron esta progresión desde hace 90 a-30 millones de años. Los investigadores identificaron 5.040 posibles vías para los cambios de aminoácidos necesarios para lograr los cambios genéticos. "Hicimos experimentos para cada uno de estos 5.040 posibilidades", dice Yokoyama. "Encontramos que de los siete cambios genéticos requeridos, cada uno de ellos no tiene individualmente ningún efecto. Sólo cuando varios de los cambios se combinan en un orden determinado es que la vía evolutiva puede ser completada." Tal como el ambiente externo de un animal impulsa la selección natural, hasta hacer cambios en el entorno molecular del animal. En investigaciones anteriores, Yokoyama mostró cómo el pez sable, que hoy pasa gran parte de su vida a una profundidad de 25 a 100 metros, sólo necesitó una mutación genética para cambiar de UV a la visión de luz azul. Los ancestros humanos, sin embargo, necesitaron siete cambios y estos cambios se propagan a través de millones de años. "La evolución de la visión de nuestros antepasados era muy lenta, en comparación con este pez, probablemente debido a que su entorno cambiaba mucho más lentamente", dice Yokoyama. Alrededor del 80 por ciento de las 5.040 vías que los investigadores trazaron se detuvieron en el medio, porque una proteína se convirtió en no funcional. El químico Ahmet Altun resolvió el misterio de por qué la proteína se noqueaba. Se necesita agua para funcionar, y si se produce una mutación antes que la otra, se bloquean los dos canales de agua que se extienden a través de la membrana del pigmento de la visión. "El 20 por ciento restante de las vías se mantuvo con caminos posibles, pero nuestros antepasados utilizaron sólo uno," dice Yokoyama. "Identificamos ese camino." En 1990, Yokoyama identificó los tres cambios de aminoácidos específicos que dieron lugar en los antepasados humanos en desarrollo un pigmento sensible al verde. En 2008, lideró un esfuerzo para construir el más amplio árbol evolutivo para la visión de luz tenue, incluso para animales desde anguilas a los seres humanos. En las ramas principales del árbol, el laboratorio de Yokoyama diseñó funciones de genes ancestrales, con el fin de conectar los cambios en el entorno de vida a los cambios moleculares. El artículo de PLOS Genetics finaliza el proyecto para la evolución de la visión humana del color. "No tenemos más ambigüedades, hasta el nivel de la expresión de los aminoácidos, de los mecanismos implicados en este camino evolutivo", dice Yokoyama

Journal Reference:
  1. Shozo Yokoyama, Jinyi Xing, Yang Liu, Davide Faggionato, Ahmet Altun, William T. Starmer. Epistatic Adaptive Evolution of Human Color VisionPLOS Genetics, 18 Dec 2014 DOI: 10.1371/journal.pgen.1004884

13 diciembre 2014

Revelan descubrimiento fundamental sobre las neuronas corticales

12 de diciembre 2014 
La funcionalidad de las neurona inhibitorias no es una propiedad inmutable de las células corticales, sino una consecuencia de la dinámica de redes más complejas. Los dos tipos principales de neuronas en la corteza cerebral del cerebro están conectados por circuitos corticales intrincados que procesan la información. Las neuronas excitadoras, que comprenden 80 por ciento de todas las neuronas en esta región, aumentan la actividad en las células diana. El otro 20 por ciento de las neuronas son inhibitorias, produciendo el efecto contrario. Las neuronas inhibitorias (interneuronas) han sido reconocidas como fundamentales para la comprensión de los distintos tipos de procesamiento de la información. Ciertos subtipos específicos de interneuronas pueden regular la ganancia de la respuesta (el grado de reacción a los estímulos) en las neuronas excitatorias, o la selectividad del tipo de respuesta en las células diana. En un nuevo estudio del 11 de diciembre aparecido en Nature Communications, Sami El-Boustani y Mriganka Sur del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria sugieren la hipótesis de que un tipo particular de interneurona puede influir en las respuestas de una manera que es dependiente del contexto. 
La aritmética controla la respuesta
Las neuronas inhibidoras de la corteza visual usan la división y la resta para el control de los cálculos realizados por sus células diana. Varios estudios previos sugirieron que una de las clases bien definidas de interneuronas, las que expresan la parvalbúmina (PV +), regulan la ganancia de respuesta a través de la inhibición por división, mientras que el otro grupo importante, las células de la somatostatina positivas (SOM +), controlan la selectividad en la espuesta a través de la inhibición sustractiva. La inhibición por división puede ocurrir durante una serie de funciones, entre ellas la atención dirigida visual, la orientación, la integración multisensorial, y la estimación de valor. La inhibición sustractiva se cree que agudiza la selectividad neuronal, posiblemente aumentando la capacidad de discriminación y, por tanto, tal vez la mejora del rendimiento del comportamiento. Con base en los hallazgos de investigaciones anteriores, estas funciones se pensaba que eran propiedades nativas de estos tipos de células, con base en la estructura, las conexiones y la biofísica. 
Técnicas innovadoras producen nuevos hallazgos
Estudios más recientes, incluyendo un examen en profundidad de El-Boustani y Sur, indican que las células SOM + en particular, son un componente clave de los mecanismos subyacentes que determinan la funcionalidad. Con el fin de evocar diferentes dinámicas de respuesta en las interneuronas e investigar la naturaleza de la inhibición, los neurocientíficos del Instituto Picower emplearon "una combinación innovadora de nuevos estímulos visuales, como la precisa estimulación optogenética de un solo pulso, y la grabación a gran escala a través de imágenes de calcio de dos fotones de las respuestas de las neuronas diana en ratones ", Utilizando brevemente destellos de estímulos visuales y pulsos cortos, en lugar de activación optogenética prolongada, los investigadores fueron capaces de definir los tiempos de respuesta de las neuronas PV + y SOM + en comparación con sus células diana, así como aislar el efecto inhibidor de estos dos tipos de neuronas. La imagen muestra las neuronas de la corteza visual primaria de un ratón despierto.
The image shows neurons from the primary visual cortex of an awake mouse.

El-Boustani, un becario postdoctoral en el laboratorio del profesor Sur, que dirigió el estudio, fue capaz de demostrar que las neuronas SOM + pueden realizar ya sea la inhibición por división y regular la ganancia de respuesta o la inhibición por sustracción y controlar la selectividad de la respuesta. Él encontró que cuando la estimulación activa las interneuronas SOM + al mismo tiempo que sus células diana, como es el caso cuando se sondeó con grandes estímulos visuales, las respuestas se dividen. Cuando la activación de las células diana se produce en otro momento - antes de responder a pequeños estímulos visuales - las SOM + restan respuestas. "Así que la funcionalidad neuronal es dinámica; se rige por el disparo de la coordinación y la superposición de tiempos de respuesta en los circuitos y sus células diana ", explica El-Boustani. La habilidad de los científicos del MIT para demostrar conmutación dependiente de la respuesta dramática y distinta en el cerebro vivo sugiere que la funcionalidad interneuronal no es una propiedad inmutable de cada tipo de células, sino una consecuencia de la dinámica más complejas dentro de las redes corticales. Las neuronas inhibitorias corticales no sólo median el procesamiento de la información sino que también juegan un papel fundamental en los trastornos cerebrales como el autismo, la esquizofrenia y la epilepsia. Este descubrimiento aporta importantes conocimientos para mejorar la comprensión de la funcionalidad normal y anormal del cerebro.
Traducido de http://neurosciencenews.com/cortical-interneurons-electrophysiology-1620/
About this electrophysiology research
Contact: Najat Kessler – MIT
Source: MIT press release
Image Source: The image is credited to Sami Elboustani and is adapted from the MIT press release
Original Research: Full open access research for “Response-dependent dynamics of cell-specific inhibition in cortical networks in vivo” by Sami El-Boustani and Mriganka Sur in Nature Communications. Published online December 11 2014 doi:10.1038/ncomms6689
Open Access Neuroscience Abstract
Response-dependent dynamics of cell-specific inhibition in cortical networks in vivo
In the visual cortex, inhibitory neurons alter the computations performed by target cells via combination of two fundamental operations, division and subtraction. The origins of these operations have been variously ascribed to differences in neuron classes, synapse location or receptor conductances. Here, by utilizing specific visual stimuli and single optogenetic probe pulses, we show that the function of ​parvalbumin-expressing and ​somatostatin-expressing neurons in mice in vivo is governed by the overlap of response timing between these neurons and their targets. In particular, ​somatostatin-expressing neurons respond at longer latencies to small visual stimuli compared with their target neurons and provide subtractive inhibition. With large visual stimuli, however, they respond at short latencies coincident with their target cells and switch to provide divisive inhibition. These results indicate that inhibition mediated by these neurons is a dynamic property of cortical circuits rather than an immutable property of neuronal classes.
“Response-dependent dynamics of cell-specific inhibition in cortical networks in vivo” by Sami El-Boustani and Mriganka Sur in Nature Communications doi:10.1038/ncomms6689.

07 diciembre 2014

Entonces ¿el dolor físico y el dolor social utilizan o no los mismos circuitos neurales?

Social Pain, Physical Pain: Different After All?

En un artículo recientemente publicado, un grupo de neurocientíficos informan de que han cambiado de opinión acerca de cómo el cerebro procesa el dolor social. Aquí está el artículo: Separate neural representations for physical pain and social rejection

Los autores son Choong-Wan Woo y sus colegas de la Universidad de Colorado, Boulder
Woo et al. dicen que, en base a un nuevo análisis de los datos de exploración de resonancia magnética funcional del cerebro, han encontrado evidencia inconsistente con la teoría popular de que el cerebro responde al "dolor" de rechazo social utilizando los mismos circuitos que codifica el dolor físico. Más bien, parece que a pesar de que los dos tipos de dolor se involucran en términos generales en las mismas áreas, lo hacen de maneras muy diferentes.

Curiosamente, hace tres años, este mismo grupo de investigadores argumentó que el dolor social y dolor físico se procesan de la misma forma por el cerebro. Eso fue en 2011 con su trabajo muy citado en PNAS:
Social rejection shares somatosensory representations with physical pain. Woo no contribuyó en el nuevo trabajo, pero tanto el anterior primer autor, Kross, como el viejo autor principal, Wager, son autores sobre en el nuevo trabajo.
By Neuroskeptic | December 7, 2014 5:48 am
In a paper just published, a group of neuroscientists report that they’ve changed their minds about how the brain processes social pain. Here’s the paper: Separate neural representations for physical pain and social rejection

The authors are Choong-Wan Woo and colleagues of the University of Colorado, Boulder. Woo et al. say that, based on a new analysis of fMRI brain scanning data, they’ve found evidence inconsistent with the popular theory that the brain responds to the ‘pain’ of social rejection using the same circuitry that encodes physical pain. Rather, it seems that although the two kinds of pain do engage broadly the same areas, they do so in very different ways.
Interestingly, three years ago this same group of researchers argued that social pain and physical pain are processed in the same way by the brain. That was back in 2011 with their highly-cited paper in PNAS: Social rejection shares somatosensory representations with physical pain. Woo didn’t contribute to that paper, but both the old first author, Kross, and the old senior author, Wager, are authors on the new paper.
In fact, the new paper is more or less just a reanalysis of the same fMRI data from the 2011 article, but using different statistical techniques. Here’s how Woo et al. describe their new approach:
Claims about shared representation in the previous studies have been based on findings of overlapping univariate fMRI activity between pain and rejection, which is not anatomically specific enough to bear on the question of whether the underlying neural representations are similar.
Here we used a more fine-grained analysis technique (MVPA) to demonstrate that the overlapping activity arises from distinct neural representations. MVPA is more likely to reflect population codes across neurons…
We demonstrate that multivariate patterns encoding the intensity of pain and rejection are separately modifiable by showing that pain and rejection each influenced distinct, uncorrelated fMRI patterns at the whole-brain level and within ‘pain-processing’ regions… [this] strongly implies the existence of distinct, non-shared neural representations for pain and rejection.
The image below shows the key finding: while both physical pain and rejection activated the same brain areas (S2, dACC etc.), Woo et al. report that the two kinds of stimuli evoke different patterns of activity within those areas.
pain_rejection
The authors further show that these different patterns of activity are each associated with an entirely different pattern of connectivity across other brain areas, which I think helps to counter a potential concern about the interpretation of MVPA.
As we’ve seen, this is all a bit of a volte face. The authors discuss their previous claims as follows:
We reported overlapping fMRI activity across pain and rejection within many pain-processing regions, based on univariate analyses. We interpreted these findings in terms of shared representations between pain and rejection. The co-localized representations may still point to important interactions between pain and rejection. However, the current findings at the multivariate pattern level suggest that the representations of pain and rejection are in fact distinct within and across regions.
Woo et al. have shown commendable scientific integrity in being willing to change their minds and update their theory based on new evidence. That sets an excellent example for researchers. But perhaps we should now also credit those who anticipated this: such as the Neurocritic blog in 2012:
Social Pain and Physical Pain Are Not Interchangeable
… Your anterior insula and anterior cingulate cortex might be very busy in both cases, but they’re also activated in many different situations (Yarkoni et al, 2011) … Sure, the affective components of pain might show some overlap with physical pain (Kross et al., 2011), but distinct networks are likely responsible for the unique aspects of these different qualia.
ResearchBlogging.orgWoo CW, Koban L, Kross E, Lindquist MA, Banich MT, Ruzic L, Andrews-Hanna JR, & Wager TD (2014). Separate neural representations for physical pain and social rejection. Nature communications, 5 PMID: 25400102

30 noviembre 2014

La proteína 4EBP2: el enlace químico entre el sueño y la formación de la memoria.

La investigación publicada hoy revela nuevas e interesantes perspectivas sobre la intrincada relación entre el sueño y la memoria, avanzando la comprensión acerca de cómo proteger el cerebro de problemas asociados con la privación crónica del sueño y la lesión cerebral traumática, así como que sugiere métodos posibles para ayudar la gente a aprender mejor cómo utilizar dispositivos neuroprostéticos. Los hallazgos fueron presentados en Neuroscience 2014, la reunión anual de la Sociedad para la Neurociencia.
 
Han pasado más de cien años desde que los científicos descubrieron que el sueño está conectado a la formación de los recuerdos en el cerebro, y ahora, una nueva investigación finalmente se revela por qué. Un gran número de procesos se producen en nuestro cerebro mientras estamos dormidos. Los investigadores acaban de descubrir uno nuevo, que describe cómo el cerebro produce sustancias químicas especiales mientras estamos dormidos, no sólo para formar recuerdos, sino también para revivir acontecimientos pasados que nuestro subconsciente tiene interés en recordar. Esto se mostró en la reunión 2014 de Sociedad para la Neurociencia a principios de este mes en los EE.UU., por el investigador del sueño de la Universidad de Pennsylvania, Jennifer Choi Tudor, que presentó a sus compañeros un nuevo estudio acerca de una proteína cerebral inducida por el sueño, la 4EBP2 (phosphorylated eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein 2). Según investigaciones anteriores cuando se priva a los ratones de laboratorio de sueño, tendrán que luchar para recordar cosas, y sus cerebros contendrán niveles más bajos de 4EBP2. Para averiguar si había una conexión entre estos dos factores, Choi Tudor y su equipo inyectaron 4EBP2 extra en los cerebros de los ratones, y luego los mantuvieron despiertos toda la noche. "Con la inyección del 4EBP2, su memoria se mostró normal", dijo Tudor Hamilton. La siguiente parte del experimento mostró cómo se forman nuevos recuerdos, y cómo los existentes cambiaron durante el proceso del sueño. El equipo monitoriza los cerebros de los ratones mientras están despiertos y en sus quehaceres en sus jaulas. Observaron la activación de las células del cerebro exclusivamente cuando los ratones habían entrado en regiones específicas de su jaula. En una zona, ciertas células cerebrales eran activadas, en la siguiente, otro grupo de células del cerebro se iluminó, y así sucesivamente en cada nueva región. En la noche, los escáneres cerebrales revelaron que se activaba la misma secuencia de las células del cerebro, lo que sugiere que los ratones fueron volviendo sobre sus pasos subconsciente durante el sueño, probablemente para ayudarles a recordar dónde habían estado. Sabiendo esto, ¿es posible cambiar esta formación de los recuerdos? Un miembro del equipo, Karim Benchenane, del Centro Nacional de Investigaciones Científicas de París, Francia, fue el encargado de descubrirlo. Según Hamilton en NPR, el equipo de Benchenane estimuló el centro del placer en el cerebro del ratón mientras estaban despiertos, cada vez que entraban en una región específica de su jaula. La esperanza era que si se repite este proceso suficientes veces, ese lugar específico estaría conectado inconscientemente a un recuerdo agradable. "Y, por supuesto, cuando los animales despertaron, fueron directamente a ese lugar, en busca de una recompensa placentera", dice Hamilton. La investigación podría sonar un poco espeluznante - porque los investigadores están manipulando artificialmente las mentes de sus ratones para crear recuerdos positivos - pero está ofreciendo una esperanza real a las personas que tienen que lidiar con la experiencia a veces incapacitante del trastorno de estrés post-traumático. No se trata de hacer zapping al cerebro de una persona y hacer que se olviden cosas, se trata de la posibilidad de identificar cuándo una persona está soñando con una experiencia traumática, parA 'borrar' la asociación negativa y reemplazarla con una agradable. Esencialmente, darle al cerebro la oportunidad de corregir la persistencia de malos sentimientos malsanos asociados a un evento pasado. Por extraño que parezca, dice Hamilton en NPR, un equipo independiente informó que comer bocadillos nocturnos podrían ensuciar la capacidad del cerebro para formar recuerdos cuando dormimos.

Fuente: Society for Neuroscience 2014 Meeting 

20 noviembre 2014

La neuroquímica del niño abandonado: ¿Los oxitocina y la vasopresina median los efectos de la experiencia temprana?

C. Sue Carter *

Una reciente edición de PNAS por Papas Wisma, Ziegler, Kurian, Jaco, y Pollak (1) revela diferencias significativas en dos neuropéptido derivado del cerebro, la oxitocina y la vasopresina,
entre dos grupos de niños, unos criados en orfanato versus otros criados en familia. Los estudios sobre los efectos de la privación sobre el desarrollo no son algo nuebo. Considere la historia de Rómulo y Remo, los fundadores legendarios de Roma que fueron supuestamente amamantados por una loba; o la de Kasper Hauser, un misterioso niño alemán del siglo 19, que se cree se mantuvo aislado del contacto humano desde la primera infancia. El interés moderno en el impacto de la separación materna o la negligencia en la conducta humana se puede remontar a dos protegidos de Sigmund Freud, René Spitz y John Bowlby (2, 3), quien describió los niños criados en orfanatos o por cuidadores inconsistentes como en riesgo de emocional y de trastornos sociales. Los estudios del comportamiento, incluida la investigación con primates no humanos, han documentado la vulnerabilidades de los lactantes socialmente desfavorecidas (4-6). Desde el nacimiento en adelante, las interacciones sociales son esenciales para el desarrollo normal. En todas las culturas humanas, incluso los animales no humanos, encontramos mecanismos para la transmisión de las experiencias sociales de una generación a la siguiente. Estas experiencias pueden a su vez modificar el comportamiento futuro. Los intentos de estudiar las consecuencias neuroendocrinas de las primeras experiencias han tendido a centrarse en los cambios del eje hipotálamo-hipófisis-suprarrenales (HHA) (7, 8). Sin embargo, las hormonas suprarrenales proporcionan medidas indirectas de lo que está sucediendo en el sistema nervioso. En el trabajo de Fries y col. (1), los niños de ambos grupos tenían niveles de oxitocina y vasopresina en el rango normal, y algunos tenían bajos niveles de estos péptidos. Sin embargo, una proporción significativa de los niños criados en orfanato exhibió niveles muy bajos de péptidos. Es importante tener en cuenta que es demasiado pronto en nuestra comprensión de la neuroendocrinología humana para llegar a la conclusión de que estas diferencias están causalmente relacionados con el comportamiento. Por ejemplo, es posible que las diferencias en los niveles de oxitocina y vasopresina reflejen las diferencias metabólicas entre los niños en los dos grupos. Sin embargo, al menos para la oxitocina, la ausencia de diferencias basales en este estudio sugiere que esto es poco probable. Papas et al. (1), midieron la oxitocina y la vasopresina en la orina. En teoría, estos péptidos pueden tener su origen en tejidos distintos del cerebro. Sin embargo, la mayor parte de la oxitocina y la vasopresina del cuerpo se produce en el hipotálamo. En este caso, la vejiga sirve como un depósito conveniente y accesible para péptidos producidos de forma centralizada. El hallazgo actual es particularmente convincente, ya que los niños que han quedado huérfanos previamente habían vivido en un buen hogar para un promedio de casi 3 años y fueron probados en condiciones aparentemente comparables

"Los procesos ontogenéticos y epigenéticos producen variación entre los individuos."

Fries y col. (1) arguye, basado principalmente en estudios en otras especies, que sus hallazgos son relevantes para la comprensión de la química de los vínculos sociales humanos. A pesar de que los lazos sociales son construcciones hipotéticas y siguen siendo poco conocidos, no hay duda de que las consecuencias físicas de los lazos sociales, y especialmente de su ausencia, pueden ser reales. Aunque no se informaron las pautas de comportamiento de los niños en este estudio, los estudios realizados en otros, presumiblemente comparables, sugieren que algunos, pero no todos, de los niños adoptados pueden tener problemas en las relaciones sociales, así como con la regulación emocional (6, 8 ). Dentro del ciclo de vida de un solo individuo, ocurren procesos ontogenéticos y epigenéticos, incluyendo el cognitivo y el aprendizaje afectivo, y diferentes formas de experiencia, que dan lugar a la variación entre los individuos. De particular importancia en los niños huérfanos en la vida temprana son la edad del niño en adopción y la consistencia de los cuidadores. Los seres humanos se cree que han evolucionado como criadores de cooperación, en las condiciones en las que los cuidadores, además de la madre biológica, eran comunes (5). Pero incluso un bebé humano resistente y muy flexible necesita un poco de previsibilidad social y el apoyo para prosperar. La capacidad para formar enlaces sociales no se limita a los seres humanos (9, 10). Los mecanismos que subyacen a los lazos sociales son antiguos y se basan en los procesos de circuitos neuronales y endocrinos arraigadas profundamente en la evolución de los mamíferos (5). Las dificultades con la regulación emocional o la gestión de las reacciones a factores de estrés también pueden estar asociados con las experiencias de cría atípicos (7, 8, 11). La oxitocina y la vasopresina son sólo dos componentes de los sistemas neuronales y endocrinos más amplios. Sin embargo, la investigación con animales sugiere que éstos son en realidad potentes péptidos, con consecuencias extraordinariamente amplios para la fisiología y el comportamiento. Los estudios realizados en mamíferos socialmente monógamos, como los ratones de campo, la oxitocina y la vasopresina han implicado tanto en la formación de los lazos sociales, incluyendo la investigación utilizando conductual, fisiológica y metodologías moleculares (12, 13). Estos mismos péptidos también juegan un papel de desarrollo en la regulación del eje HHA y podrían influir, directa o indirectamente, en la emotividad o los comportamientos sociales (14). La oxitocina, en particular, es capaz de desrregular el eje HPA, y este efecto se aplica tanto a los roedores como a seres humanos (9, 15, 16). La oxitocina y la vasopresina también regulan el sistema nervioso autónomo (17). Incluso hay evidencia reciente de que la oxitocina puede aumentar la capacidad de las personas para mostrar confianza (18). Si la disponibilidad de oxitocina o vasopresina es anormalmente baja, esto plausiblemente podría estar asociado con una reducción de la capacidad de formar lazos sociales y poder gestionar las experiencias estresantes (9). La liberación de la oxitocina y la vasopresina y los efectos de estos péptidos en otros sistemas endocrinos y neuronales son sensibles a la historia social del individuo (14). Los estados físicos y las reacciones del cuerpo, incluyendo el estado del sistema nervioso central y autonómico, pueden influir en la disposición de un individuo a participar en comportamientos sociales, formar lazos sociales, y regular la reactividad a los retos sociales y físicos (17). Es posible que los comportamientos sociales atípicos o una capacidad reducida para gestionar las experiencias emocionales, e incluso los niveles inusualmente bajos de la oxitocina y la vasopresina, están relacionados con alteraciones en los sistemas neuroendocrinos. Sin embargo, las diferencias entre los grupos reportados aquí también puede reflejar diferencias en la capacidad de los niños que han quedado huérfanos a reaccionar a nuevas experiencias, tales como la presencia de un extraño en la casa o ser objeto de un experimento. Estos estudios refuerzan la idea de que los niños con una historia de abandono se enfrentan a retos especiales y necesitan apoyo extra. Claramente, se necesita más investigación que relacione las diferencias individuales en los péptidos con las diferencias en el comportamiento, junto con una comprensión más profunda de la reactividad conductual de los niños en riesgo. Al igual que con la mayoría de los aspectos de la biología humana, los neuropéptidos no fijan el destino. Sin embargo, la documentación de sus diferencias, tales como las reportadas por Fries y otros. (1), nos mueve un paso más hacia el reconocimiento de los sustratos biológicos que subyacen a la conducta humana.


*Fuente: Proceedings of the National Academy of Sciences

12 noviembre 2014

Genes controlados por la mente



  • Científicos suizos logran activar o desactivar genes con ondas cerebrales

  • Su objetivo es combatir enfermedades como el dolor crónico y las crisis epilépticas


Una idea «absolutamente rompedora», digna de una historia de ciencia ficción, pero trasladada a un laboratorio de investigación real, en la Universidad de Basilea (Suiza). Allí, en el departamento de Ingeniería y Biosistemas, un grupo de científicos ha desarrollado, por primera vez, un método capaz de activar o desactivar un gen sólo con el pensamiento.
Lo primero que hicieron los autores de este innovador trabajo fue diseñar un gen (c-di-GMP) específicamente para que se activara ante la exposición de luz infrarroja, escogida porque generalmente «no es perjudicial para las células humanas», tal y como relatan en su artículo, publicado ayer en la revista Nature Communications. Después lo introdujeron en células que incorporaron en forma de implante subcutáneo en varios ratones.
Todo este trabajo responde a lo que se conoce como sistemas optogenéticos, «capaces de modular la expresión de una neurona que ha sido sensibilizada a la luz. Constituyen un grupo de tecnologías novedosísimas y pioneras que permiten controlar la actividad, en animales y humanos, del tejido neuronal en vivo», explica Ana Patiño García, directora de la Unidad de Genética Clínica de la Clínica Universidad de Navarra.
órdenes vía bluetooth
Pero ¿cómo encender o apagar la luz para activar o desactivar dicho gen a través del pensamiento? Los investigadores se sirvieron de un sistema de encefalograma (una especie de casco) para registrar las ondas cerebrales de una persona. El patrón no es el mismo cuando el sujeto está en reposo que cuando está meditando. Dos estados mentales con efectos diferentes.
Estas ondas cerebrales que recoge el encefalograma se envían, vía bluetooth, a una interfaz programada previamente para que codificara las señales propias de cada uno de los tres estados mentales y, en función de dicho pensamiento, enviara diferentes órdenes a la bombilla. Así, cuando el participante meditaba, la luz se encendía y cuando se concentraba, se apagaba.
El escenario en el que el pensamiento encendía la luz, las células implantadas en los ratones la detectaban y, en consecuencia, el gen c-di-GMP se activaba. El gen en concreto no tiene efecto importante, ya que «usan un gen marcador que de manera invasiva puede ser medido en la sangre periférica», expone Patiño García, al comentar este estudio. De esta forma, se comprobó que ante la exposición de infrarrojos, se detectaba alta carga de proteínas (llamadas SEAP, un modelo fácil de detectar) producidas por el gen activo. Por el contrario, cuando la luz estaba apagada, no se registraba tal producción de proteínas, lo que indica que el gen no se activaba. Lo mismo ocurría en los cultivos celulares que se observaban en el laboratorio.
Por primera vez, remarca uno de los investigadores, Martin Fussenegger, «hemos sido capaces de aprovechar las ondas cerebrales humanas, transferirlas de forma inalámbrica a una red de genes y regular la expresión de un gen en función del tipo de pensamiento. Ser capaz de controlar la expresión génica a través del poder del pensamiento es un sueño que hemos estado persiguiendo durante más de una década».
Para la española Patiño García, «este tipo de dispositivos, que nos parecían de ciencia ficción hace pocos años, abren la ventana a los estudios en vivo acerca del control de la actividad cerebral. Este tipo de sistemas tiene interesantísimas e importantísimas aplicaciones como por ejemplo: microbombas que secreten insulina, prótesis ortopédicas que maneja cerebralmente el propio paciente, marcapasos, etc.». Aunque, coincidiendo con Francisco Javier Novo Villaverde, del departamento de Bioquímica y Genética de la Universidad Clínica de Navarra, «de momento, no hay aplicaciones inmediatas, este trabajo está en fases muy iniciales». No obstante, es una investigación «absolutamente rompedora», agrega el especialista. «La idea de que la mente pueda hacer que se activen genes concretos en sitios muy específicos es brillante y podrían usarse para infinidad de situaciones», pero no en un plazo corto de tiempo.
Así lo asumen los propios investigadores del trabajo. Concretamente Fussenegger apunta a EL MUNDO que harán falta al menos «10 años para empezar a realizar ensayos clínicos con esta tecnología». De momento, «se trata de un estudio de concepto para demostrar que es posible, en principio, que la mente controle sus genes con pensamientos simples».
El objetivo, añade, es «captar las ondas cerebrales relacionadas con distintas enfermedades, tales como el dolor crónico o la epilepsia, en los que la mente sea capaz de producir por sí sola los compuestos que atenúan o previenen la aceleración del dolor o el desarrollo de las crisis epilépticas».

01 noviembre 2014

Logran abrir por primera vez la barrera hematoencefálica en humanos


Por primera vez, los médicos han abierto y cerrado la barrera hematoencafálica a discreción. El avance permitirá que los medicamentos lleguen a zonas enfermas del cerebro que de otra manera les sería imposible llegar. Esta técnica podría facilitar el tratamiento de enfermedades como el cáncer cerebral y la enfermedad de Alzheimer.

The all-too-effective sheathing <i>(Image: C. J. Guerin, MRC Toxicology Unit/SPL)</i>La barrera hematoencefálica es un envoltorio de células que se encuentra alrededor de los vasos sanguíneos (en negro en la imagen) en todo el cerebro. Protege el precioso tejido cerebral de las toxinas del torrente sanguíneo, pero es un obstáculo importante para el tratamiento de trastornos cerebrales, ya que también impide el paso de las drogas. En junio de este año otros equipos habían abierto la barrera en animales para dejar que ciertas drogas puedieran colarse. Ahora Michael Canney del grupo médico CarThera con sede en París, y sus colegas, han logrado hacerlo en personas, mediante el uso de un implante cerebral de ultrasonido y una inyección de microburbujas. Cuando las ondas de ultrasonido tocan las microburbujas de la sangre, hacen vibrar las burbujas. Esto empuja a un lado las células de la barrera hematoencefálica. Con el cirujano Alexandre Carpentier del Hospital de la Pitié-Salpêtrière en París, Canney probó esta técnica en personas con glioblastoma, el tipo más agresivo de tumor cerebral. Las personas con este tipo de cáncer se someten a cirugía para extirpar los tumores y luego a los medicamentos de quimioterapia, tales como carboplatino, que se utilizan para tratar de matar las células tumorales restantes. Los tumores hacen que la barrera tenga fugas, lo que permite que pase una pequeña cantidad de medicamentos de quimioterapia: pero si pudiese hacer que entrasen más medicamentos, su impacto sería mayor, dice Canney. El equipo probó la idea en cuatro pacientes mediante la implantación de un transductor de ultrasonido a través de un agujero ya hecho en el cráneo durante la cirugía de tumores. Luego se les dio una inyección de microburbujas y tenía el transductor de encendido durante 2 minutos. Este envía pulsos de baja intensidad de ultrasonidos en una región del cerebro de 1 centímetro a 5 centímetros. Canney dice que esto hace que la barrera en esta región seamás permeable durante aproximadamente 6 horas. En esta ventana de tiempo, cada persona recibió la quimioterapia normal. Desde julio, se ha realizado la técnica una vez al mes en cada uno de los cuatro pacientes. Será en unos meses que Canney puede determinar el efecto sobre los tumores. La resonancia magnética mostró que un producto químico marcador, inyectado junto con las microburbujas, estaba cruzando la barrera. "Esperamos que esto signifique que el medicamento de quimioterapia pueda hacer la misma cosa", dice Canney, quien presentó sus observaciones la semana pasada en el simposio Ultrasonido Enfocado en North Bethesda, Maryland. Puede haber un beneficio adicional. Los modelos animales de la enfermedad de Alzheimer sugiere que simplemente la apertura de la barrera - sin fármacos añadidos - resulta en una reducción en las placas de proteína asociados con la enfermedad. Puede ser que cuando la barrera se abra, las células inmunes pueden montar un ataque

This article appeared in print under the headline "Blood-brain barrier opened on demand"
Correction, 23 October 2014: When this article was first published on 22 October 2014, the stated size of the region of the brain being pulsed with ultrasound was rather too small. This has now been corrected.

El altruismo y la amígdala

 
El altruismo, y particularmente el altruismo extraordinario hacia los extraños, como en el caso de donación de un riñón a un extraño, representa un fenómeno desconcertante para muchos campos de la ciencia, incluyendo la biología evolutiva, la psicología y la economía. ¿Cómo se puede explicar este comportamiento? La propensión al altruismo es muy variable y puede estar mediada genéticamente, pero poco se sabe acerca de los mecanismos neurales que lo apoyan. En un estudio reciente se utilizó imágenes cerebrales estructurales y funcionales para comparar la actividad cerebral de altruistas extraordinarios, donantes de riñón a extraños, y sujetos controles. Los altruistas exhibieron unas variaciones en la anatomía y funcionamiento neuronal opuestas a los patrones observados previamente en los psicópatas, caracterizados por ser crueles y antisociales. Estos hallazgos sugieren que el altruismo extraordinario representa uno de los extremos de los mecanismos neurales que subyacen a la capacidad de respuesta social y emocional.  
El comportamiento altruista mejora el bienestar de otro individuo al tiempo que reduce el bienestar del altruista. La tendencia de los seres humanos a participar en comportamientos altruistas se distribuye de manera desigual entre la población, y la variación individual en las tendencias altruistas puede ser mediada genéticamente. Aunque se han identificado los endofenotipos neuronales de las tendencias de comportamiento antisociales extremas en los estudios de los psicópatas, se sabe poco sobre los mecanismos neuronales que apoyan las tendencias pro-sociales o altruistas extremas. En este estudio, Abigail A. Marsha y colaboradores utilizaron la resonancia magnética estructural y funcional para evaluar una población de altruistas extraordinarios: los donantes de riñón que se ofrecieron a donar un riñón a un desconocido. Tales donaciones cumplen las definiciones más estrictas de altruismo en que representan un comportamiento intencional que incurre en costos significativos para el donante para beneficiar a un anónimo, no parientes suyo. El estudio muestra que los altruistas extraordinarias se pueden distinguir de los controles por su volumen mayor en la amígdala derecha y la capacidad de respuesta de esta estructura a las expresiones faciales de miedo, un efecto que predice la sensibilidad perceptiva superior a estas expresiones mejoradas. Estos resultados mostraron, en el caso de los individuos psicópatas, un volumen de la amígdala reducida y una reducida capacidad de respuesta a las expresiones faciales de miedo. Nuestros resultados apoyan la posibilidad de una base neural para extraordinario altruismo. Estos hallazgos podrán ampliar el alcance de la investigación sobre los mecanismos biológicos que promueven los comportamientos altruistas para incluir mecanismos neuronales que apoyan la capacidad de respuesta afectiva y social.

Referencia:
PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences  vol. 111 no. 42 (2014)15036–15041
Neural and cognitive characteristics of extraordinary altruists
    Abigail A. Marsha,1,
    Sarah A. Stoycosa,
    Kristin M. Brethel-Haurwitza,
    Paul Robinsonb,
    John W. VanMeterc, and
    Elise M. Cardinalea

Neurogénesis en el adulto

Investigación y Ciencia. Octubre 2014. 
El cerebro adulto genera neuronas todos los días. El descubrimiento de que las células nuevas nos ayudan a distinguir un recuerdo de otro podría dar lugar a nuevos tratamientos contra los trastornos de ansiedad.
  • Hen, René
    La idea de que el cerebro adulto no podía formar neuronas nuevas ha constituido durante siglos un principio fundamental de la neurobiología. Incluso Santiago Ramón y Cajal, creador de la neurociencia moderna a finales del siglo XIX, declaró imposible tal renovación. Tras décadas de meticulosa observación e ilustración de la arquitectura microscópica de las neuronas y sus conexiones, el científico llegó a la conclusión de que en el cerebro adulto «las vías nerviosas son algo fijo, acabado, inmutable. Todo puede morir, nada renacer».
    Así que cuando Joseph Altman, por aquel entonces en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), publicó una serie de artículos en los años sesenta del siglo XX en los que demostraba la formación de neuronas en el cerebro de cobayas adultas, fue en gran parte ignorado. Tal actitud no sorprendió, dado que, desde un punto de vista lógico, añadir nuevas neuronas a un cerebro completamente desarrollado tendría consecuencias desastrosas. Después de todo, si el órgano almacena información en redes de conexiones neurales, insertar de manera aleatoria células inexpertas en esas redes podría anular nuestra capacidad para codificar y recuperar la información y, en consecuencia, podría alterar nuestros recuerdos.
    Pero la lógica no está a la altura de los resultados experimentales, y en los años noventa comenzaron a llegar más datos. Se aportaron pruebas de que en los cerebros adultos de ratones, monos e incluso humanos seguían formándose neuronas, a lo largo de la vida. En concreto, en dos regiones: una implicada en la olfacción y la otra, el hipocampo, en el aprendizaje, la memoria y las emociones.
    Desde entonces, los investigadores se han preguntado sobre la función de esas neuronas recién nacidas. Aunque todavía no está claro su papel en el sistema olfativo, se han comenzado a desvelar sus secretos en el hipocampo. Los trabajos de nuestro grupo, entre otros, indican que tales células ayudarían a registrar los recuerdos para que se les identifique como únicos y se evite confundirlos con los posteriores. Este conocimiento podría dar pie al desarrollo de estrategias novedosas para tratar varios trastornos de ansiedad, como el trastorno por estrés postraumático (TEPT), dado que quienes lo sufren tienen dificultades en distinguir las situaciones peligrosas de las inocuas.