Los vínculos vagales entre cerebro y vísceras dan forma a nuestros pensamientos, recuerdos y sentimientos
Por Emily Underwood
En la década de 1930, el neurocirujano Wilder Penfield fue pionero en un nuevo y atrevido tipo de cartografía. Mientras un taquígrafo tomaba notas, tocó delicadamente con un electrodo el cerebro expuesto de sus pacientes despiertos, que consintieron el procedimiento y les preguntó qué sentían cuando una corriente eléctrica tocaba diferentes áreas de su cerebro.
Penfield quería predecir mejor qué funciones cerebrales se verían amenazadas cuando los cirujanos tuvieran que extirpar tumores o trozos de tejido que desencadenaban ataques epilépticos. Descubrió que la estimulación de las regiones cerebrales adyacentes producía sensaciones en las partes correspondientes del cuerpo: mano, antebrazo, codo. El resultado de su mapeo fue el icónico "homúnculo": un mapa en la capa exterior arrugada del cerebro que representa la superficie del cuerpo.
Penfield luego se aventuró en un territorio más misterioso. Cuando sondeó la ínsula, un pliegue profundo de la corteza, algunos pacientes sintieron náuseas o gases; otros eructaban o vomitaban. “Me duele el estómago y huelo algo parecido a un medicamento”, dijo uno.
Penfield descubrió que esas señales viscerales eran más difíciles de descifrar que el mapa cerebral de la superficie del cuerpo. Las regiones del cerebro responsables de diferentes sensaciones internas parecían superponerse. Las regiones sensoriales, como por ejemplo, decirle a los intestinos que se contraigan, eran difíciles de distinguir de aquellas que enviaban instrucciones motoras. Penfield pidió a los participantes que se tragaran un electrodo para detectar cambios en las contracciones intestinales mientras estimulaba sus cerebros. Pero su mapa de los órganos internos era borroso y ambiguo, y se mantuvo así durante la mayor parte del siglo siguiente.
Décadas más tarde, los científicos están empezando a desentrañar cómo nuestros órganos húmedos, esponjosos y resbaladizos le hablan al cerebro y cómo el cerebro responde. Esa comunicación bidireccional, conocida como interocepción, abarca un sistema complejo de nervios y hormonas en todo el cuerpo. Gran parte de la exploración reciente se ha centrado en el nervio vago: una red masiva y serpenteante de más de 100.000 fibras que viajan desde casi todos los órganos internos hasta la base del cerebro y viceversa.
Con nuevas técnicas para mapear las rutas de los nervios en los animales y medir la interocepción en las personas, los investigadores están agregando nuevos y sorprendentes detalles a los bocetos que Penfield y otros idearon. Durante más de 100 años, los científicos han sabido que el nervio vago transmite señales entre los órganos y el tronco del encéfalo. Como parte del sistema nervioso parasimpático, activo cuando el cuerpo está tranquilo o recuperándose del estrés, el vago regula las funciones autónomas como la frecuencia cardíaca, la respiración y la digestión. Pero nuevos estudios han demostrado que las señales transportadas por las fibras vagales escalan más allá del tronco del encéfalo, revelando una amplia red interoceptiva en el cerebro que interpreta los cambios internos, anticipa las necesidades del cuerpo y envía comandos para satisfacerlas. La red incluye regiones del cerebro involucradas en cogniciones más complejas,
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Al desafiar las distinciones tradicionales entre los trastornos del cerebro y el cuerpo, los nuevos estudios pueden contener pistas sobre la naturaleza de la conciencia. Comparada con sentidos mejor entendidos como la visión, la interocepción es como “un nuevo continente”, dice Catherine Tallon-Baudry, neurocientífica de la École Normale Supérieure.
La evidencia de que la interocepción tiene claves para el bienestar físico y emocional convierte al vago en un objetivo terapéutico tentador. La estimulación del nervio vago (VNS), que envía pulsos de electricidad al vago a través de un dispositivo implantado debajo de la clavícula, ya está aprobada en los Estados Unidos para tratar la epilepsia y la depresión. Se están investigando formas de estimulación menos invasivas, incluido un dispositivo que suministra corriente a la piel del cuello y un dispositivo de oreja llamado auricular transcutáneo VNS (taVNS) para afecciones tan diversas como la artritis reumatoide, la obesidad y el Alzheimer. Sin embargo, no está claro cómo podría funcionar cualquiera de los enfoques y cómo minimizar los efectos secundarios. Estimular el vago "claramente hace muchas cosas en el cuerpo", dice Kara Marshall, becaria postdoctoral que estudia la interocepción en Scripps Research.
PARA HACER ESO, los investigadores primero deben trazar un mapa de las conexiones complejas del nervio vago y luego establecer cómo el cerebro representa y responde a sus mensajes. Esa tarea es abrumadora porque, como ocurre con muchos nervios periféricos, el nervio vago tiene muchas fibras delgadas y escasas que carecen de una capa aislante de mielina grasa, lo que las hace notoriamente difíciles de rastrear.
Pero las nuevas herramientas están mejorando la imagen. La secuenciación de ARN unicelular, que permite a los científicos identificar tipos de células dentro de un tejido sobre la base de sus patrones de expresión génica, finalmente ha hecho posible diseccionar la "materia oscura del vago", dice Steve Liberles, biólogo celular. en la Escuela de Medicina de Harvard. Su equipo utilizó la genética para identificar una “asombrosa diversidad” de tipos de células vagales en roedores, incluidas las células que controlan la respiración y desencadenan la tos, detectan cambios en la presión arterial y el oxígeno y detectan estiramiento y nutrientes en el sistema digestivo. Más recientemente, el equipo de Liberles descubrió células en el tronco del encéfalo, conectadas a neuronas vagales, que desencadenan náuseas. Ese hallazgo podría conducir a quimioterapias más tolerables que eviten estimular esas vías nerviosas o incluso apisonarlas.
Los investigadores también pueden inyectar a los animales de laboratorio una forma de virus de la rabia que se propaga a través de neuronas conectadas desde los órganos hasta el cerebro. Peter Strick, un neurocientífico de la Universidad de Pittsburgh, inyectó el virus en el estómago de las ratas y descubrió las vías vagales que conducen a la ínsula rostral, una región poco conocida que se cree procesa las sensaciones de los órganos internos y regula las emociones. Strick demostró más tarde que esas células de la ínsula estimulan la digestión, mientras que un segundo tracto vago que se extiende desde la corteza motora hasta el estómago hace lo contrario: detiene la producción de ácido y las contracciones musculares que ayudan a digerir y mover los alimentos.
Los hallazgos, publicados el año pasado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias , podrían revivir la idea de que el estrés causa úlceras de estómago. Esa idea fue descartada en gran medida en la década de 1980 después de que un estudio que condujo a un Premio Nobel en 2005 los rastreó hasta infecciones bacterianas con Helicobacter pylori. Pero el nuevo trabajo sugiere que el estrés, al interrumpir cualquiera de las vías vagales, podría dificultar la digestión y crear un ambiente más acogedor para las bacterias que inducen úlceras en el estómago, dice Strick.
Otros estudios de conexiones vagales sugieren que influyen en la memoria y el aprendizaje. En un estudio de 2018 en ratas, el neurocientífico Scott Kanoski de la Universidad del Sur de California cortó las conexiones vagales sensoriales entre el estómago y el hipocampo, una región del cerebro crucial para la formación de recuerdos. La interrupción impidió que los animales recordaran nuevos objetos y ubicaciones y ralentizó el nacimiento de neuronas. Las señales interoceptivas ayudan al hipocampo a formar recuerdos que sustentan la vida: dónde encontramos por última vez un bocadillo realmente bueno, por ejemplo, o qué comida nos enfermó.
Los circuitos vagales también impulsan la motivación y el estado de ánimo, según muestran estudios recientes. En 2018, el neurocientífico Diego Bohórquez de la Universidad de Duke descubrió una conexión vagal directa entre las células sensibles a los nutrientes en el intestino del ratón llamadas neuropodos y el cerebro. En un segundo estudio, el neurocientífico Ivan de Araujo de la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai descubrió que la estimulación de estos circuitos con un láser desencadena la liberación del neurotransmisor dopamina gratificante en el cerebro, lo que motiva a los roedores a buscar más estimulación. Los estudios podrían ayudar a explicar por qué se siente bien comer y cómo la estimulación del nervio vago en las personas alivia la depresión.
El neurocientífico de la Universidad de Harvard, Vitaly Napadow (izquierda), coloca un dispositivo de estimulación del nervio vago auricular transcutáneo en la oreja de su colaborador, Ronald García.
Una pregunta urgente es cómo se tuercen las comunicaciones entre el cerebro y el cuerpo. En 2019, el neurocientífico de Mount Sinai Paul Kenny descubrió un vínculo sorprendente entre la adicción a la nicotina y la diabetes tipo 2 en ratas. Cuando la nicotina se une a los receptores neuronales en una región del cerebro llamada habénula, descubrió Kenny, hace que el páncreas libere glucagón, una hormona que eleva el azúcar en sangre. Con el tiempo, esas señales pueden estresar el páncreas y aumentar el riesgo de diabetes. Mientras tanto, los niveles crónicamente altos de glucosa, comunicados a través del vago y otras vías interoceptivas, hacen que la habénula responda con menos fuerza a la nicotina, lo que incita a las ratas a buscar más droga. Ese resultado sugiere que la diabetes podría hacer que las personas sean más propensas a la adicción a la nicotina.
Antes de ese estudio, "no consideraba nada al sur del cuello" cuando estudiaba la adicción, dice Kenny. Ahora, esos complejos vínculos entre el consumo de nicotina, la desregulación metabólica y la adicción lo han llevado a preguntarse si la adicción realmente puede considerarse un trastorno puramente cerebral.
Aunque algunos trastornos psiquiátricos claramente se originan solo en el cerebro, “estoy convencido de que en otros casos [ellos] pueden originarse en el cuerpo”, dice el neurocirujano Kevin J. Tracey, presidente de los Institutos Feinstein de Investigación Médica. Su equipo ha estudiado cómo las señales entre el cerebro y las vísceras modulan el sistema inmunológico, y recientemente identificó un grupo de células en el tallo cerebral del ratón que regula la inflamación enviando señales a través del vago al bazo.
Lisa Feldman Barrett, neurocientífica de la Northeastern University, señala la evidencia de que los trastornos del estado de ánimo pueden deberse a problemas metabólicos, que a su vez pueden tener sus raíces en factores estresantes que afectan el cerebro, como el trauma y la negligencia en la primera infancia o la falta de sueño. Estas experiencias también pueden moldear la forma en que interpretamos las sensaciones internas. En lugar de recibir información pasivamente, el cerebro está constantemente construyendo un modelo de sus condiciones sensoriales y adivinando qué las causó para dirigir la respuesta correcta, dice Barrett. "Sientes un tirón en el pecho y tu cerebro tiene que decidir si es porque comiste demasiado en la cena o si es la señal temprana de un ataque cardíaco".
Sin embargo, ESTUDIAR CÓMO LOS HUMANOS experimentan sus sensaciones internas es complicado, como descubrió Penfield. Muchas señales son inconscientes y, cuando llegan a nuestra conciencia, a menudo son borrosas y ambiguas, lo que dificulta que las personas informen sobre lo que están experimentando. Si la visión es como la televisión de alta definición, “nuestra conciencia de la interocepción es como la televisión en blanco y negro de la década de 1950 con mala recepción en una tormenta”, dice Barrett.
Las pruebas de conciencia interoceptiva de uso común piden a las personas que detecten o cuenten sus propios latidos, una señal interoceptiva transmitida por el vago. Pero estas tareas son difíciles de realizar en reposo y se ven influenciadas fácilmente por el conocimiento previo sobre la frecuencia cardíaca de, por ejemplo, el uso de un monitor de actividad física. Otras pruebas interoceptivas son atemorizantes o incómodas, como tomar un medicamento similar a la adrenalina que hace que su corazón palpite o tragar un globo que se infla en su tracto gastrointestinal. Y perturbar procesos vitales como los latidos del corazón para probar la conciencia de una persona sobre ellos puede ser invasivo y arriesgado, dice el neurocientífico Sahib Khalsa del Laureate Institute for Brain Research: "Necesitas formas de probar la interocepción de manera segura".
Khalsa se encuentra entre los que buscan medidas mínimamente invasivas. Su equipo pidió recientemente a 40 personas sanas que traguen una cápsula que vibra al azar a medida que avanza por el estómago. Khalsa tomó una cápsula él mismo y dice que es una sensación extraña. "Imagínese si pone su teléfono en vibración y se lo traga, y luego alguien comienza a llamarlo".
Las personas que detectan mejor la sincronización de las vibraciones mostraron respuestas de electroencefalograma (EEG) más fuertes en los electrodos del cuero cabelludo que recubren la corteza posteromedial, una región del cerebro vinculada a la conciencia corporal, informó el equipo de Khalsa en un preimpreso publicado en febrero en bioRxiv. Espera que la píldora vibrante pueda resultar una forma útil de evaluar la agudeza interoceptiva de las personas e identificar vínculos con la salud física y mental.
"Uno de los debates sobre la conciencia interoceptiva es si es bueno tener más o menos", dice Wen Chen, jefe de rama del Centro Nacional de Salud Complementaria e Integrativa, quien recientemente convocó la primera reunión de los Institutos Nacionales de Salud sobre investigación de interocepción. Las personas con afecciones como el trastorno de ansiedad generalizada o el síndrome del intestino irritable pueden estar "hiperconcentradas en las sensaciones de sus cuerpos", agrega Vitaly Napadow, neurocientífico del Centro de Imágenes Biomédicas Athinoula A. Martinos de la Universidad de Harvard. El entrenamiento cognitivo podría ayudarlos a manejar sensaciones internas abrumadoras, dice.
Sientes un tirón en el pecho y tu cerebro tiene que decidir si es porque comiste demasiado en la cena o si es la primera señal de un ataque cardíaco.
Lo mismo ocurre con la ENV, que puede alterar el tráfico neuronal y afectar los ritmos cerebrales. En colaboración con Cala Health, una empresa de tecnología médica de California, Napadow está desarrollando una versión del dispositivo taVNS que se coloca en los oídos y que proporciona estimulación al ritmo de la respiración de una persona. El diseño se basa en datos de imágenes cerebrales que muestran que el tronco encefálico responde mejor a la estimulación cuando una persona exhala. Su objetivo es tratar afecciones como el dolor crónico y la migraña aumentando las señales que viajan a través del tronco del encéfalo a regiones cerebrales superiores que amortiguan la percepción del dolor a través de moléculas de señalización como la noradrenalina y la serotonina.
Los científicos no están completamente seguros de cómo los nervios vagales del oído humano se conectan al cerebro o cómo podrían funcionar los dispositivos taVNS. Pero la técnica ofrece una alternativa no invasiva a los estimuladores VNS implantados quirúrgicamente. Esos dispositivos son difíciles de estudiar éticamente, en parte porque los investigadores a menudo deben implantarlos en los participantes del grupo de control que no recibirán estimulación eléctrica durante períodos prolongados. Los implantes también requieren cirugía para extraerlos y pueden tener efectos secundarios no deseados como dolores de cabeza, náuseas y tos.
Napadow es uno de los más de 100 ensayos clínicos que prueban taVNS, para afecciones tan variadas como trastorno de estrés postraumático, sepsis y Alzheimer, e incluso para prevenir el síndrome de dificultad respiratoria aguda en pacientes hospitalizados con COVID-19. La técnica también tiene potencial como una herramienta de investigación no invasiva en humanos, dice Nils Kroemer, neurocientífico de la Universidad de Tübingen, quien encontró diferencias en la motivación de las personas al estimular la rama derecha frente a la izquierda del nervio.
Otros investigadores están investigando si taVNS puede influir en la conciencia misma. En el Hospital Universitario de Lieja, el neurólogo Steven Laureys y sus colegas están planificando un ensayo clínico de taVNS para restablecer la conciencia en las personas que se recuperan del coma. Esos pacientes ocupan lo que los investigadores llaman la zona gris de la conciencia: una conciencia intermitente y parpadeante que a menudo es difícil de detectar. Aproximadamente un tercio de las personas que parecen completamente insensibles son al menos parcialmente conscientes pero no pueden comunicarse, dice Laureys.
El ensayo se basa en un estudio reciente en el que Laureys y Tallon-Baudry utilizaron la interocepción como sonda para la conciencia en 68 pacientes en coma. El equipo identificó por primera vez a 55 personas de ese grupo que mostraban signos de conciencia según las pruebas estándar, incluidas las tomografías por emisión de positrones, que miden el metabolismo cerebral, y la resonancia magnética.
A continuación, los investigadores utilizaron EEG para registrar las respuestas fugaces de los pacientes a sus propios latidos cardíacos. Un algoritmo de aprendizaje automático entrenado para asociar las respuestas cerebrales evocadas por los latidos del corazón con la conciencia identificó con un 87% de precisión cuáles de los participantes habían sido clasificados como mínimamente conscientes utilizando otras medidas, informó el equipo en abril en The Journal of Neuroscience .
Si los resultados iniciales se mantienen en estudios más amplios, la medida podría ofrecer una forma más simple y económica de evaluar la conciencia en personas que no pueden reaccionar visiblemente a un estímulo externo como una voz o un tacto. El algoritmo también podría predecir quién tiene más probabilidades de responder en ensayos clínicos como el estudio taVNS. El equipo de Laureys tiene como objetivo probar la seguridad del dispositivo en 60 pacientes en coma, la mitad de los cuales recibirán estimulación eléctrica. Luego, los investigadores medirán su capacidad de respuesta en una escala de recuperación de coma estándar.
El neurocientífico Christof Koch, del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro, es cauteloso con el método de los latidos del corazón y señala que, a pesar de ser un poco más preciso que las pruebas estándar de EEG al lado de la cama, todavía identifica de manera inexacta a algunas personas como conscientes que no lo están, lo que podría llevar a falsas esperanzas de recuperación. Aunque el aprendizaje automático puede tener una "asombrosa precisión" para distinguir entre patrones de actividad cerebral, agrega, no revela cómo esos patrones impulsan la conciencia. Aún así, como muchos otros investigadores, Koch está convencido de que las experiencias interoceptivas "son parte integrante de la conciencia".
Sigue habiendo preguntas fundamentales sobre cómo surgen las experiencias interoceptivas y para quién. Koch se pregunta: "¿Tiene un robot la sensación de que necesita llegar pronto a una toma de corriente cuando se está quedando sin energía?"
Para Tallon-Baudry, la investigación en pacientes en coma desafía una larga historia de pensar en la regulación corporal como algo separado de los procesos mentales "superiores", como el lenguaje, que constituyen nuestro sentido del yo. Hace cuatro siglos, René Descartes conceptualizó la mente como algo separado del cuerpo. Pero el estudio de EEG, dice, ofrece una idea diferente de la conciencia, como un acto sutil y personal de interocepción: "significa, simplemente, estar presente como sujeto de la experiencia".
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