LABORATORIO CUATRO: Somatotopía

LABORATORIO CUATRO: Somatotopía
RESUMEN
En este práctico, podrás:
1. aprender como el sistema nervioso organiza la información somatotópica proveniente de
estructuras sensoriales periféricas;
2. observar la selectividad de las respuestas neurales en base a detalles de los lugares de grabación, e
3. investigar algunos principios básicos sobre la organización somatotópica de la pata de la cucaracha,
los nervios y los ganglios.
OBJETIVOS
Antes de realizar este práctico debieras:
 Estudiar cómo las estructuras sensoriales, los nervios periféricos y la médula espinal transmiten
información sensorial al cerebro
 estudiar la corteza somatosensorial primaria y la forma en que el cerebro utiliza estas estructuras
para interactuar con el mundo exterior
identficar analogías entre los mecanismos neurales de la sensación y la función motora (es decir, los
dedos, los nervios, la médula espinal, el cerebro) y sistemas mecánicos más simples, como una alarma
(rayo láser, alambre, relé, computador, timbre)
Después de hacer esta práctico debieras ser capaz de:
 explicar por qué la manipulación de una púa sensorial en la cucaracha lleva a una respuesta neural
diferente que al manipular en un lugar distinto
 diseñar un experimento para trazar o mapear cuales ganglios del sistema nervioso central
transmiten la información de una púa sensorial específica la pata de una cucaracha
 describir la implicancia que un arreglo somatotópico representa para el estudio de patologías con
déficit sensoriales (ceguera, sordera, parálisis, etc.)
MATERIALES
 SpikerBox
 Computador con Audacity instalado o un dispositivo iPhone/iPad/Android con la aplicación Backyard
Brains instalada
 Cable de conexión al computador o cable de iPhone/Android
 Cucaracha
 Tijeras de disección
 Mondadientes
INTRODUCCIÓN
El cerebro humano, al captar un conjunto de señales sensoriales, inicia un conjunto de comportamientos
motores muy complejos, a tal punto que ningún computador actualidad es capaz de replicarlo. Esto hace
que cada experiencia visual o táctil, cada acción voluntaria represente una maestra de la ingeniería. En
una persona, el sistema del tacto es gobernado por el sistema somatosensorial y, en analogía con
dispositivos creados por el humano, representa el hardware y el cableado que del sistema que nos
permite percibir la presión. Por esto, conocer los órganos e interpretar las conexiones que componen el
sistema somatosensorial es la clave para entender cómo nos relacionamos con el mundo.
Antes de pasar un sistema más complejo y
escabroso como es el sistema somatosensorial
biológica, veamos primero un ejemplo simple
de ingeniería humana: la alarma. Un sistema
de alarma para el hogar puede tener varias
formas de detectar un intruso. Sensores de
contacto en las puertas o ventanas mantienen
un circuito cerrado mientras las dos placas
sensoriales estén conectadas, pero cuando
alguien abre la puerta se rompe el circuito,
una señal que se retransmite y se desplaza por
una conexión a un centro de toma de
decisiones. Del mismo modo, los detectores
de movimiento pueden aprovechar el uso de
un simple radar, sonar, o rayos láser para
detectar cuando un individuo o una entidad se
está moviendo a través de una
habitación. Existen sistemas más complicados
Tu sistema somatosensorial funciona como un
capaces de detectar cambios en la
sistema de seguridad en una casa.
temperatura ambiente debido al calor que
desprende el cuerpo, o sonidos emitidos en
zonas que debieran ser silenciosas. Pero todas estas formas de "sentir" la presencia de una persona
requieren de algún tipo de dispositivo externo de detección que, al ser activado, comunica lo que ha
percibido a una especie de relevo que tiene un sistema booleano de “encendido” (algo ha sido
detectado) o “apagado”(nada ha cambiado). Al ser activado el relé, éste envía lo que ha encontrado a
través de un cable o ,en la actualidad, una conexión inalámbrica a algún tipo de computadora que
procesa esta información y decide como reaccionar (timbre de adevertencia, alarma, dar aviso a la
policía, etc) de acuerdo a sus parámetros programados.
Este proceso es muy similar a lo que
sucede en una situación de detección
“humana”. Analicemos, por ejemplo,
los mecanismos neuronales
responsables de las sensaciones
físicas que uno experimenta al dar un
apretón de manos. Tanto los dedos
como la palma de la mano presentan
receptores de tacto que actúan como
dispositivos de detección (el sensor
de contacto, en la analogía de la
Corteza Somatosensorial
alarma). Cuando las manos hacen contacto, los
receptores se activan, y los potenciales de acción
se disparan a través de las fibras nerviosas hacia
lugares específicos de la médula espinal, donde los
nervios hacen sinapsis (es decir, el relé por el cual
las células se conectan). A partir de ahí, la señal
viaja por la médula espinal (a través de más
“cableado”) y hace sinapsis con lugares específicos
del cerebro en la corteza cerebral (el procesador
del computador), adaptados específicamente para
procesar información táctil de los dedos y la
palma. Una vez que el cerebro-computador
procesa esta información táctil, puede decidir cómo reaccionar (por ejemplo, mantener el agarre,
apretar, soltar, etc) basándose en si te gusta la persona o si quieres impresionar a alguien.
Ya has aprendido sobre los potenciales de acción y las sinapsis en los laboratorios Uno, Dos y Tres, por
lo que ya debieras estar familiarizado con la forma en que la señal viaja a través de los nervios y la
médula espinal, que conectan tus dispositivos sensoriales al cerebro. La información clave a recordar
aquí es la forma en que estas vías sensoriales están arraigadas a través de la médula espinal y el cerebro.
Las neuronas sensoriales que transmiten la información desde la piel, los músculos y las articulaciones
agrupan sus somas (cuerpos) celulares (los núcleos, el “cerebro de la célula”) en ganglios de la raíz
dorsal, o ganglios espinales. (GRD). Los GRD son masas de neuronas compuestas por miles de somas
celulares, y se encuentran junto a la médula espinal a lo largo de su longitud, dentro de la columna
vertebral. Desde los GRD, las células sensoriales hacen sinapsis directamente con la médula espinal. La
médula espinal está compuesta de sustancia gris (más somas neuronales) y sustancia blanca (fibras
nerviosas); la sustancia gris que contiene los núcleos sensoriales se agrupa en lo que se llama el asta
dorsal, mientras que la sustancia blanca que lo rodea se divide en columnas que contienen paquetes
de axones que llevan la información sensorial hasta la médula espinal.
Los axones centrales de las células de los ganglios de la raíz dorsal forman una especie de “mapa neural”
de la superficie del cuerpo cuando terminan en la médula espinal, una disposición neural que refleja la
procedencia original de cada sensación. Esta correspondencia entre sensaciones superficiales y corteza
cerebral, llamada somatotopía, se mantiene a través de toda la vía somatosensorial hasta el cerebro. La
información sensorial entra al cerebro por una región llamada tálamo, que básicamente funciona como
un guardián para dejar pasar información a la
corteza cerebral. Desde el tálamo, los axones se
proyectan a la corteza cerebral terminando en la
corteza somatosensorial primaria. Todas las
partes del cuerpo están representadas en la
corteza, en proporción a la cantidad de los nervios
sensoriales que cubren cada área. Un mapa a
escala representando cuanta área de la corteza
está dedicada a cada región del cuerpo se llama
de área de la corteza se dedica a cada región del
cuerpo que se llama homúnculo. Por ejemplo, hay
más nervios sensoriales en la cara que en el
tronco del cuerpo...así que aunque el tronco tiene
una masa física mucho mayor que la cara, la
porción facial de la corteza somatosensorial es
mayor que la porción del tronco.
Lo que hemos descrito aquí es solo la punta del
iceberg sobre cómo la información somática es
procesada en una persona. En el cuerpo, todas las
Homuúnculo sensorial, mapa creado por el
conexiones entre los receptores del tacto
Dr. Walter Penfield (Wikipedia.org)
periféricos y el cerebro procesan un poco la
información, modificando la forma en que la información se empaqueta y así aumentando la capacidad
de procesamiento del cerebro. Además, cada tipo de sensación somática (tacto, el dolor, la posición) es
procesada a través de diferentes vías, que llegan a diferentes regiones del cerebro. Y es más, a veces la
respuesta a una sensación está arraigada de tal manera que el cuerpo responde antes de que la señal
siquiera llegue al cerebro. Piensa en lo rápido que tu cuerpo reacciona frente a una sensación de dolor,
como poner la mano sobre una estufa caliente...tu mano salta antes de siquiera darte cuenta de lo que
hiciste, por reflejo. Estos reflejos se rigen a nivel de la médula espinal para asegurar reacciones más
rápidas sin tener que esperar a que el cerebro decida que hacer.
Tal complejidad de reacción puede esperar a ser examinada después, en otro laboratorio, algún otro día.
El sistema sensorial de la cucaracha es en realidad un poco más simple que la versión humana, con
menos nervios y menos conexiones. En la cucaracha, las púas sensoriales en las piernas se conectan con
ganglios que se encuentran a lo largo de la línea media de la cucaracha (en analogía a la médula espinal
humana). Para hoy, vamos a usar nuestros modelos de cucaracha para echar un vistazo más de cerca a
algunas de las relaciones más básicas entre los receptores sensoriales y el mapa de información interna
que le proporcionan al organismo.
PROCEDIMIENTO
Ejercicio 1: Registra respuestas al estimular púas sensibles al movimiento
1. Conecta tu smartphone o configura tu computador con Audacity como se describió
previamente en el experimento 1, y prepara una pata de cucaracha como se describe
también en el experimento 1.
2. Coloca los electrodos de tierra y de señal en el fémur, como se muestra
3. La pata está cubierta con alrededor de 20 púas que son sensibles al movimiento. Con un
mondadientes fino, tratar de tocar cada una de las púas, y escucha las espigas mientras
haces esto.
4. Trata de encontrar a una púa que, al tocarla con el mondadientes, causa un cambio
enérgico en la actividad de las espigas. En el diagrama, marca en un círculo la púa y traza
la ubicación general del electrodo de registro. Anota las características generales de la
reacción de disparo de la púa (frecuencia de disparo, el volumen auditivo relativo de las
espigas, etc.).
5. Repite el proceso en distintas patas de la cucaracha, y en varias cucarachas.
Diagramas de patas de cucaracha adicionales para marcar la púa de activación y la
ubicación de los electrodos. Imprime más copias según sea necesario.
Ejercicio 2: Mover electrodo de registro y reconstruir el mapa
1. Mueve el electrodo de registro a un lugar diferente en el fémur.
2. Repite los pasos (3) y (4) del ejercicio 1 para identificar una púa de respuesta, si es posible.
3. Repite al menos 3 veces con cada pata, y repite ambos ejercicios en su totalidad en al
menos 3 patas distintas. Nota: es posible observar características de disparo diferentes
dependiendo de la colocación del electrodo.
4. A partir de tus notas y diagramas, trata de crear un "mapa" general de la relación entre cual
púa entregaba una respuesta y la ubicación de tu electrodo de registro.
PREGUNTAS DE DISCUSIÓN
1. ¿Lograste observar diferencias en la relación púa/lugar de registro entre patas distintas de
una misma cucaracha? ¿Y entre patas de cucarachas distintas? ¿Qué sugieren tus respuestas
acerca del mapeo de los nervios periféricos en la cucaracha?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
2¿Observaste un cambio negativo en la calidad de las respuestas neuronales a medida que
movías el electrodo de registro en una sola pata? Si es así, ¿Cuál podría ser la causa de la
degradación de la señal? ¿Crees que esto podrá afectar tu observación de somatotopía?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
3. Si en lugar de registrar en el fémur, registraras “más arriba” en el camino del sistema
nervioso en los ganglios de la cucaracha, ¿Crees tú que los patrones de disparo serían iguales
o diferentes? ¿Por qué?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
EXPERIMENTOS FUTUROS
La tercera pregunta de discusión es un muy buen cimiento para los experimentos a futuro:
repite este mismo experimento, pero con el electrodo de registro en uno de los ganglios en el
cuerpo de la cucaracha en lugar de la tibia. Si eres capaz de encontrar un ganglio y registrar
información neuronal, prueba cómo la actividad neuronal cambia cuando pasas de una púa a
otra. Al finalizar, comparar el comportamiento de los distintos ganglios con el comportamiento
de los nervios tibiales.