COLECCIÓN CIENCIA & VIDA
La ciencia es una manera de pensar que descansa sobre preguntas metódicas, diálogo y consenso. Es una búsqueda sin fin y uno de los más potentes desafíos que como humanidad tenemos: comprender nuestro entorno y a nosotros mismos. Pero el pensamiento crítico que la ciencia ejercita no es solo materia de laboratorios y estudios de campo, es también una poderosa herramienta en un mundo en el que el conocimiento y el diálogo son la base de la democracia.
La COLECCIÓN CIENCIA & VIDA busca irradiar la voz de científicos que quieran hablarle a la sociedad y ayudarnos a comprender el mundo, admirarlo y desafiarlo; promoviendo ciudadanos más racionales y curiosos, soñadores e inquisitivos.
COMITÉ EDITORIAL
Marcela Colombres Raby
Andrés Gomberoff Selowsky
Arturo Infante Reñasco
Carolina Torrealba Ruiz-Tagle
Pablo Valenzuela Valdés
Autores:
Ana Abbott, Adolfo Agurto, Marcia Arriagada, Mauricio Aspé, Aland Astudillo, Constanza Bertea, Tito Castillo, Valeska Cid, Cristian Calfún, Juan Pablo Castillo, Isaac García, Ricardo Illesca, Ann Mary Iturra, Óscar Jara, Indira Lara, Cristian Malhue, Luis Manríquez, Soraya Mora, Juan Carlos Morales, Jesús Olivares, Marcela Ovando, Melissa Pavez, Miguel Piñeiro, Mauricio Ramírez, César Ravello, Magali Sepúlveda, María Teresa Salas, Felipe Tapia.
Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso CINV
DeMente. El cerebro, un hueso duro de roer
Santiago de Chile: Catalonia, 2019
ISBN: 978-956-324-710-7
ISBN Digital: 978-956-324-721-3
CIENCIAS
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Ilustración y diseño de portada: Alberto Montt
Diseño y diagramación: Sebastián Valdebenito M.
Corrección: Cristine Molina
Dirección editorial: Arturo Infante Reñasco
EDITORES (CINV)
Oliver Schmachtenberg, Jesús Olivares
EDICIÓN GENERAL
Carmen Rodríguez, Luz María Alvarado
COMITÉ EDITORIAL
Ramón Latorre, Juan Carlos García, Héctor Cossio
Todos los derechos reservados. Esta publicación no puede ser reproducida, en todo o en parte, ni registrada o transmitida por sistema alguno de recuperación de información, en ninguna forma o medio, sea mecánico, fotoquímico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia o cualquier otro, sin permiso previo, por escrito, de la editorial.
Esta publicación fue elaborada por el Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso, perteneciente a la Universidad de Valparaíso, Chile.
Cofinanciado con recursos de la Iniciativa Científica Milenio del Ministerio de Economía, Fomento y Turismo, Chile.
Primera edición: abril 2019
ISBN: 978-956-324-710-7
ISBN Digital: 978-956-324-721-3
Registro de Propiedad Intelectual N° A-302387
© Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso CINV, 2019
© Catalonia Ltda., 2019
Santa Isabel 1235, Providencia
Santiago de Chile
www.catalonia.cl – @catalonialibros
“[Las neuronas son] células de formas delicadas y elegantes, las misteriosas mariposas del alma, cuyo batir de alas quién sabe si esclarecerá algún día el secreto de la vida mental”.
Santiago Ramón y Cajal
Premio nobel de medicina en 1906
Agradecemos en primer lugar a la Universidad de Valparaíso, que alberga al Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso (CINV), permitiendo hacer ciencia de excelencia desde una universidad pública. A los estudiantes de Magíster y Doctorado en Ciencias, mención Neurociencia de esta universidad, quienes escribieron los artículos de este libro, llevando la ciencia de frontera a un lenguaje comprensible por toda la sociedad. Queremos agradecer también al diario electrónico El Mostrador, primer diario online de Chile, por darnos la oportunidad desde 2014 de llegar a cientos de miles de lectores interesados en conocer cómo funciona nuestro sistema nervioso a través de la serie “Los secretos del cerebro”, en una experiencia inédita en nuestro país. Por último, queremos agradecer a la Iniciativa Científica Milenio del Ministerio de Economía, Fomento y Turismo, cuyo generoso y permanente apoyo ha hecho posible el desarrollo de ciencia competitiva a nivel internacional, además de impulsar su difusión y promoción de modos innovadores, como con esta publicación.
En pleno siglo XXI, las grandes preguntas de la humanidad se acotan a un puñado: cómo se creó el universo, cómo se originó la vida, hay vida en otros planetas, podremos vencer las enfermedades y vivir para siempre... y cómo funciona la mente humana, este producto del cerebro en el que se origina toda esta insaciable curiosidad de los seres humanos. A diferencia de las otras preguntas, hay algo especial y místico en entender cómo opera nuestro sistema nervioso, ya que en este caso herramienta y objeto son inseparables, y porque se trata de lo que define esencialmente lo que somos: humanos, personas, individuos, con una identidad única definida por la suma de experiencias de toda una vida, creadores sublimes como Bach, Einstein o Darwin, o monstruos como Hitler.
El cerebro y sus innumerables ramificaciones han preocupado al hombre desde que comenzó a reunirse en grupos que compartían las cuevas y la comida. No sabemos dónde comenzó el estudio de este órgano, pero los cráneos que se han encontrado trepanados y que datan de más de 8.000 años a. C. nos indican que algo querían averiguar nuestros antepasados. Muy temprano los griegos se preocuparon del origen de las emociones y de algunas enfermedades como la epilepsia, y es así como en los Tratados hipocráticos nos encontramos con la siguiente aseveración: “Es el cerebro también el asiento de la locura y los delirios, de los miedos que nos asaltan por la noche y a veces durante el día”. Sin embargo, un filósofo tan importante como Aristóteles pensaba que el cerebro solo tenía la función de enfriar la sangre, y puso la mente en el corazón. Porque, al fin y al cabo, ¿no es el corazón el que se acelera con nuestras emociones?
El cerebro solo recupera el sitial que le corresponde con Galeno, cerca de 200 años d. C. Este, realizando experimentos con cerdos y con monos, demostró que son nervios los que le permiten al cerdo chillar y que todos los nervios de la médula espinal del mono confluyen en el cerebro. A pesar de que sabíamos que los seres vivos producían electricidad —gracias a los escritos del médico romano Scribonius Largo, quien en el primer siglo a. C. recomendaba descargas eléctricas producidas por el pez torpedo para el tratamiento de los dolores de cabeza y la epilepsia—, recién en el siglo XVIII Luigi Galvani, en Italia, redescubre la “electricidad animal”, es decir, que el sistema nervioso funciona sobre la base de señales eléctricas.
Desde entonces, la neurociencia ha avanzado a pasos de gigantes. Sin embargo, hay desafíos concretos que han impedido, hasta ahora, entender bien la mente y su sustrato. El cerebro adulto humano contiene algo menos de 100 billones de neuronas y un número parecido de células gliales. Datos impresionantes, pero pequeños en comparación con el número de transistores en supercomputadoras actuales. No obstante, estas neuronas se interconectan con unas mil conexiones cada una (unos 100.000.000.000.000 totales), que además son flexibles y se modifican con actividad y experiencia. Es por esta formidable complejidad del sistema nervioso que escenarios de inteligencia artificial subyugando a la humanidad aún son ficciones de un futuro lejano.
Mientras tanto, podemos acercarnos a algunos aspectos concretos del cerebro y la mente: ¿por qué sentimos placer por la música? ¿Por qué sentimos dolor? ¿Es posible elegir lo que soñamos? ¿Es diferente el cerebro de mujer y hombre? ¿Qué fundamentos explican la agresión y la violencia? ¿Por qué somos, al parecer, el animal más inteligente? ¿De qué nos sirve la meditación? ¿Cómo podemos proteger al cerebro y frenar el envejecimiento cognitivo? ¿Cuáles son las causas de la depresión, el Alzheimer o el trastorno autista? Estas y otras preguntas son las que aborda DeMente.
Los científicos suelen blindar sus estudios con un lenguaje impenetrable y publicarlos en revistas especializadas de acceso restringido. Más difícil aún que entender el contenido de estos trabajos es evaluar su relevancia y veracidad. Este desafío llevó al Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso (CINV) a proponer la creación de un seminario especial de literatura con estudiantes del Magíster y Doctorado en Neurociencia de la Universidad de Valparaíso, para llevar a cabo la difícil tarea de seleccionar hallazgos auténticos, recientes y relevantes del área de la neurociencia, publicados en revistas especialistas de prestigio, y comunicarlos a un público general.
En este seminario, bautizado NeuroNews, una docena de estudiantes de postgrado se reúnen semana a semana a elegir, discutir, transcribir y editar temas actuales de neurociencia; el resultado fueron artículos que comenzaron a publicar en 2013 en la página web del CINV. Sin embargo, el alcance de estas publicaciones fue limitado hasta el inicio de un convenio del CINV con el diario online El Mostrador. Luego de un proceso de selección y edición guiado por ese medio, nuestros relatos de neurociencia actual llegaron a un público amplio y recibieron una notable difusión en todo el país.
Este libro contiene una selección de los mejores artículos generados por NeuroNews, que abarca todos los aspectos de la neurociencia, desde sus bases moleculares hasta sus implicancias para la sociedad. La selección fue organizada en cinco capítulos: “¿Qué tenemos en mente?”, “Evolución deMente”, “SocialMente”, “FrágilMente” y “SanaMente”. En su conjunto, estos temas específicos nos revelan el estado de la cuestión en neurociencia, lo que se sabe y lo mucho que aún no, y nos pueden acercar eventualmente, con pequeños pasos, a una mejor comprensión de la mente y de nosotros mismos.
Ramón Latorre
Director del CINV - Universidad de Valparaíso
Premio nacional de ciencias, 2002
“La ciencia no puede resolver el último misterio de la naturaleza. Y eso se debe a que, en última instancia, nosotros mismos somos una parte del misterio que estamos tratando de resolver”.
(Max Planck, físico alemán)
Pese a que vivía en el epicentro artístico de su tiempo, Sigmund Freud odiaba la música. De hecho, cuando asistía a los numerosos conciertos que se realizaban en Viena hacia finales del siglo XIX, se tapaba los oídos con las manos. El padre del psicoanálisis nunca llegó a emocionarse ni a sentir placer con la música; en su casa estaba prohibida y sus hijos debían seguir esta regla al pie de la letra. Para Friedrich Nietzsche, en cambio, la música fue un elemento central en su pensamiento y en sus días. “Sin la música, la vida sería un error”, escribía sin pudores el filósofo alemán, a pesar de que no era dado a los elogios.
El mundo de la ciencia se ha empeñado en explicar esta especie de embrujo que provoca la música en ciertas personas, embrujo que, para otras, resulta ajeno y desconocido. ¿Eres parte del grupo que se estremece al escuchar su canción favorita o solo se trata de sonidos armoniosos que sirven para pasar el rato? ¿Cómo se explica que una pieza musical nos provoque cambios físicos y mentales?
Al parecer, la respuesta a esta interrogante estaría en el cerebro. Y, aunque resulte extraño a primera vista, existe relación entre su sistema de recompensa y el goce que sentimos con la música. El sistema de recompensa del cerebro es un conjunto de estructuras nerviosas que hace que seamos proclives a repetir conductas y estímulos que nos gustaron en el pasado, como el sexo, el consumo de algunos alimentos y las drogas. Este mismo sistema se activa con las canciones o piezas musicales que nos provocan placer, ya que está conectado con la corteza auditiva (región del cerebro que procesa la información de estímulos auditivos). Pero esto no responde la pregunta enunciada con anterioridad.
Matthew Sachs, junto a académicos de las universidades de Harvard y Wesleyan en Estados Unidos, publicó los resultados de una investigación que trata de responder por qué los individuos reaccionan de distinta manera frente a un estímulo musical. El punto de partida fue seleccionar a 20 voluntarios, elegidos de un total de 200, quienes respondieron una encuesta online que permitió recabar información sobre su personalidad, preferencias musicales y grado de compromiso emocional con la música. Las respuestas dieron cuenta de un amplio abanico de sensaciones, entre ellas: “pérdida de tiempo”, “temor”, “nudo en la garganta”, “aumento en el ritmo cardiaco”, etc. En base a estos datos, los investigadores seleccionaron 10 personas para formar el grupo que sentía escalofríos y otras 10 para el grupo sin escalofríos.
Los voluntarios entraron al laboratorio para escuchar su música favorita. Las selecciones incluyeron clásicos desde Wagner hasta Coldplay, pasando por una diversidad de estilos musicales. Cada vez que oyeron una canción informaron el grado de placer que sentían en una escala de 0 a 10. En el caso de tener escalofríos, presionaron un botón durante todo el tiempo que duró esa sensación, inclusive sabiendo que se trataba de una percepción subjetiva.
Aunque todos los voluntarios se declararon fanáticos de la música, no todos tuvieron ese curioso estremecimiento. El paso siguiente, entonces, fue recoger datos que mostrasen cambios en su fisiología corporal. Mientras los participantes escuchaban su playlist favorita, se midió la actividad cardiaca y la respuesta de conductancia de la piel (o SRC, por sus siglas en inglés). La SCR es un fenómeno en el que la piel cambia momentáneamente su capacidad de conducir electricidad de acuerdo con el estado emocional de las personas; se explica por la activación de las glándulas sudoríparas por parte del sistema nervioso simpático.
En paralelo, los investigadores quisieron saber si había variaciones en los cerebros de los participantes. Recurriendo a la técnica de escáner —denominada “imagen por resonancia magnética con tensores de difusión” (Diffusion Tensor Imaging o DTI)—, visualizaron los tractos de materia blanca que conectan distintas partes del cerebro para distinguir qué tan buena era su comunicación neuronal.
El equipo liderado por Sachs constató que había diferencias en cómo se conectan áreas claves del cerebro y estas coincidieron con la separación entre los grupos con y sin escalofríos. En particular, el tracto que une la corteza auditiva con el sistema de recompensa del cerebro tenía un mayor volumen en el grupo que sentía escalofríos en comparación con el que no.
Es probable que este tipo de descubrimientos provoque desazón en algunas personas al saber cómo funcionan ciertos procesos. Algo así ocurrió antes, cuando los poetas se quejaron de perder la magia al saber cómo se produce un arcoíris. La verdad es que puede resultar maravilloso pensar que la vida se compone de esas pequeñas complejidades explicables, quedando aún un sinfín de materias que no tienen respuesta.
Glosario
Corteza auditiva del cerebro: es la unidad cerebral de procesamiento de sonidos más organizada. Esta área cortical es crucial para la audición y, en los seres humanos, también para el lenguaje y la música. La corteza auditiva se divide en tres partes diferenciadas: las cortezas auditivas primaria, secundaria y terciaria.
¿Qué tienen en común el ser humano y los calamares gigantes? La respuesta obvia es “muy poco”. Estos animales marinos de aspecto alienígena tienen 10 tentáculos, un pico como el de los loros y todas sus vísceras en la cabeza. Sin embargo, su sistema nervioso es como una versión simplificada del de los seres humanos.
Las bases físicas que gobiernan los impulsos nerviosos son las mismas en las diferentes especies. Es decir, nuestros nervios funcionan esencialmente igual que los del calamar. Lo que no compartimos con estos cefalópodos es el tamaño del axón, que es la parte de la neurona que permite la transmisión del impulso nervioso. El diámetro de los axones de nuestras neuronas es de 0,001 milímetro; el de los axones del calamar gigante, en cambio, puede superar 1 milímetro.
Gracias a experimentos con los axones de este cefalópodo, en los años cincuenta los investigadores británicos Alan Hodgkin y Andrew Huxley describieron cómo se propaga el impulso nervioso y llegaron a ganar el Premio Nobel en 1963 por estos hallazgos. Este proceso se basa en el equilibrio eléctrico dentro y fuera de la neurona. En ambas partes hay iones de sodio y de potasio, ambos de carga eléctrica positiva. Al interior de las neuronas, el ion potasio está más concentrado que en el exterior y, al revés, el ion sodio está más concentrado en el exterior. Estas diferencias de concentración, separadas por la membrana celular, generan una verdadera batería eléctrica que permite el desarrollo del impulso nervioso a lo largo de todos nuestros nervios. Para lograr el equilibrio, las neuronas cuentan con una compleja máquina molecular llamada “bomba de sodio/potasio”, que es una proteína de la membrana celular, la cual, literalmente, bombea potasio hacia adentro y sodio hacia afuera.
La membrana celular de los axones gigantes del calamar de Humboldt, conocido aquí como “jibia”, tiene muchísimas de estas bombas de sodio/potasio y resulta una herramienta óptima para estudiar las diminutas corrientes que se producen cuando la bomba transporta los iones sodio y potasio de un lado hacia otro. Desde Chile se contribuyó a estos hallazgos gracias a la presencia de este enorme calamar en nuestras costas. Esta especie marina fue clave en el inicio de una reconocida escuela de fisiólogos y biofísicos, liderada por el doctor Mario Luxoro, en los años sesenta, desde el Laboratorio de Fisiología Celular de la Universidad de Chile, ubicado en el Sector 5 de Reñaca y conocido como el “laboratorio de Montemar”. Allí iniciaron su carrera varios científicos chilenos que son reconocidos en todo el mundo y de los cuales tres han sido galardonados con el Premio Nacional de Ciencias: Ramón Latorre, Cecilia Hidalgo y el propio Mario Luxoro.
Gracias a los axones gigantes del calamar de Humboldt, el doctor Luxoro y su entonces pupilo Eduardo Rojas demostraron por primera vez que las estructuras celulares responsables de permitir el paso de los iones de sodio y de potasio eran las proteínas de la membrana celular. Este fue un descubrimiento importantísimo que publicó la prestigiosa revista científica Nature en 1963.
Pero, en la década del setenta, la jibia comenzó a desaparecer de las costas chilenas y, tras el golpe militar de 1973, la actividad del laboratorio de Montemar empezó a disminuir hasta casi desaparecer. Tuvieron que pasar más de 30 años para que un investigador chileno radicado en los Estados Unidos escuchara el rumor de que las jibias habían vuelto a la región de Valparaíso. Se trata de Francisco Bezanilla, de la Universidad de Chicago, quien se había iniciado como científico en Montemar en los años sesenta. Junto a su colega y amigo Miguel Holmgren, otro chileno radicado en Estados Unidos, Bezanilla se embarcó a Chile para ver si el enorme calamar chileno podía volver a servir a la ciencia.
Apoyados por el Dr. Ramón Latorre, director del Centro Interdisciplinario de Neurociencia de Valparaíso (CINV), Bezanilla y Holmgren visitaron el abandonado laboratorio de Montemar en 2008 para explorar la posibilidad de volver a experimentar con el axón gigante de la jibia. El escenario fue tan prometedor que al año siguiente ya había un pequeño equipo de trabajo que contó con científicos extranjeros visitantes y uno que otro estudiante chileno interesado en aprender. Desde entonces, cada verano el laboratorio de Montemar abre sus puertas para recibir nuevamente a la jibia durante el mes de diciembre.
Con una temporada de trabajo de solo cuatro semanas anuales, el avance durante estos años en Montemar ha sido lento pero seguro. En 2011 se publicó un primer artículo acerca de la salida del primero de los tres iones de sodio desde el interior de la bomba. El hallazgo más significativo fue realizado recientemente y aborda la entrada del potasio hacia la bomba, descrita en un artículo de la revista Nature Communications. Utilizando los gigantescos axones de la jibia, Bezanilla y compañía demostraron que el potasio entra y queda atrapado dentro de la bomba unas 20 veces más rápido que el sodio, lo que favorece el correcto funcionamiento de esta maquinita en condiciones fisiológicas. Además, se descubrió que los dos iones de potasio son atrapados por la bomba al mismo tiempo, un mecanismo distinto al que ocurre con los tres iones de sodio, que son liberados de manera secuencial, uno detrás de otro. Lo interesante de esta diferencia es que los iones sodio y potasio son bastante similares en tamaño y tienen la misma carga; sin embargo, nuestra bomba de sodio/potasio logra diferenciarlos con facilidad. Si no fuera así, la vida no sería posible como la conocemos.
Por lo pronto, el laboratorio de Montemar sigue recibiendo a estos entusiastas investigadores que se reúnen una o dos veces al año para seguir estudiando cómo funcionan las máquinas moleculares que le permiten a nuestro cerebro funcionar. Y también para disfrutar, una que otra vez, de los sabrosos tentáculos reproductivos de la jibia, una exquisitez casi desconocida entre los chilenos, pero que estos científicos tuvieron también la suerte de descubrir.
GLOSARIO
Axón: es la prolongación que sale del cuerpo de la neurona y termina en una ramificación que está en contacto con células musculares, glandulares, etc., o con otras células nerviosas, y por la cual circulan los impulsos nerviosos.
Iones: son átomos o un grupo de átomos que, ya sea por haber perdido o ganado electrones, se sumaron una carga eléctrica; es decir, no son neutros en materia eléctrica.
Cefalópodos: clase de moluscos marinos, incluyendo a los pulpos y calamares, por lo general, sin caparazón o valva externa, que tienen la cabeza voluminosa y con una serie de tentáculos alrededor de la boca.
No tenemos conciencia de nuestro cuerpo hasta que algo nos duele. Basta un pequeño corte en un dedo para que nuestra sensación de bienestar cambie por completo. Hay personas que, por un dolor de cabeza intenso, pasan días enteros sin poder levantarse de la cama; otras, conviven con un malestar crónico en todo momento. En casos más extremos, hay quienes perciben como dolorosos estímulos que no lo son.
El dolor cumple la importante función de advertirnos que algo anda mal en nuestro organismo. Pero combatirlo es una de las metas de la medicina. Gracias a la investigación científica contamos con una amplia gama de analgésicos, pero muchos de ellos tienen efectos adversos y provocan adicción. Encontrar nuevas formas de aliviar el sufrimiento físico va de la mano de entender los mecanismos neurobiológicos por los cuales se produce. Y la neurociencia está dando importantes pasos en este sentido.
Un grupo de científicos de la Universidad de California, junto a otros colaboradores de Estados Unidos y de Australia, dieron un paso más en la comprensión de cómo percibimos el dolor. Este proceso ocurre a partir de la estimulación de células especializadas en la recepción del dolor llamadas nociceptores, las que envían una señal a través de redes nerviosas hacia el sistema nervioso central (la médula espinal y el encéfalo) para que en diferentes partes del cerebro se genere la percepción de malestar. Los investigadores se propusieron buscar moléculas que abrieran en forma selectiva un canal que actúa en estas células sensoriales. Y decidieron recurrir a un veneno que provoca notorios efectos en sus víctimas, el de un tipo de tarántula oriunda del norte de África, llamada Heteroscodra maculata.
Esta tarántula —de elegantes diseños negros, grises y blancos— es reconocida por su agresividad. Una de sus toxinas, la Hm1a, actúa en forma directa sobre un canal de sodio dependiente de voltaje, el Nav1.1, que juega un papel clave en la transmisión del dolor. Este tipo de canales son proteínas que atraviesan las membranas de las células y que permiten el paso de iones de sodio usados por los nociceptores para iniciar los impulsos eléctricos que llevan la señal de dolor.
Los científicos de la Universidad de California descubrieron que la toxina Hm1a actúa de forma específica sobre el canal Nav1.1, abriéndolo de forma sostenida en el tiempo y generando así una hipersensibilidad sin inflamación por un lapso prolongado. Vieron entonces que uno de los efectos posibles es la alodinia, una percepción anómala del dolor, en la cual estímulos que no debieran causar malestar sí lo hacen; por ejemplo, un simple toque se percibe como un golpe. Durante el experimento, se observó que en ratones que son afectados por el síndrome de hipersensibilidad crónica en el colon (similar al colon irritable) la sensación de dolor es mucho más intensa, por lo que toques leves generan una respuesta de dolor, gatillada por la apertura del canal Nav1.1 a causa de esta toxina.