Lic. Bibiana Cañás de Ameal CLASE IV IV-1 Nature vs. Nurture? Instruccionistas vs. Seleccionistas? Interacción entre genes y ambiente El genoma humano contiene instrucciones para el desarrollo del cuerpo, incluso para el desarrollo de la estructura de nuestro cerebro. Entre el 50 y el 70 por ciento de todos los genes se cree que están en el cerebro. Pero probablemente no tenemos la suficiente cantidad de genes para dar cuenta de la activación de los trillones de conexiones sinápticas de nuestro cerebro. Los genes dictan que nosotros tendremos un cerebro humano con ciertamente el mismo tipo de circuitos, pero las diferencias específicas existirán y las conexiones de los circuitos determinados por la actividad sináptica que resulta del propio desarrollo más la estimulación ambiental, esculpirán el cerebro individual. Actualmente no quedan dudas sobre la gran influencia de la experiencia en el desarrollo cerebral. Ya no se continúa debatiendo “natura vs. nurtura”, “genes vs. ambiente”, “instrucción vs. selección”, sino que se estudian las importantes influencias de cada uno. Quizás el mayor representante contemporáneo del seleccionismo neural es Gerald Edelman, premio nobel 1972. Edelman halló que las sinapsis en el cerebro, tal como los animales en su ambiente, compiten por permanecer vivas. Como ya dijimos las sinapsis que son usadas compiten satisfactoriamente y sobreviven, mientras aquellas que no son usadas perecen. Las influencias externas seleccionan las sinapsis adecuadas para reiniciar o reforzar ciertos patrones de actividad neural que las involucra. Los seleccionistas asumen que los factores genéticos y no genéticos interactúan en cada escalón del desarrollo. La selección opera sobre las conexiones preexistentes formadas por los genes (que hacen que las proteínas ayuden a los axones guía a llegar a su destino) trabajando concertadamente con factores no genéticos (químicos de la madre por ejemplo). Pero los genes y los químicos no son enteramente responsables de estas conexiones iniciales. Los seleccionistas también asumen que hay un amplio monto de circunstancias fortuitas involucradas, terminales y dendritas que están en la misma zona tienen la oportunidad de formar conexiones sinápticas. Como resultado, en cambio del plan general genéticamente programado, opera la naturaleza individual desde la cual la experiencia y el aprendizaje hacen su propia selección. Las conexiones sinápticas que reciban inputs sobrevivirán más fácilmente y hasta podrán modificarse, mientras que aquellas que no los reciban, morirán. Esto ocurrirá durante toda la vida del ser humano, más allá de los grandes momentos de poda neuronal de la infancia y la adolescencia. La actividad neuronal que promueve la formación de sinapsis y nuevas ramificaciones resultado de la estimulación externa y la propia maduración cerebral, también está involucrada en la eliminación y estabilización de las sinpasis ya formadas. IV-2 En el cerebro, “lo que no se usa se pierde” Pero cómo el “uso previene la pérdida”? Qué ocurre entre una célula postsináptica y su terminal presináptica para asegurar que una conexión sobreviva? O para ser más positivo, cómo la actividad fortalece las conexiones y hasta es capaz de crear nuevas? A mediados del siglo xx, Donald Hebb, psicólogo canadiense, propuso que si dos neuronas son activadas al mismo tiempo y una es presináptica a la otra, entonces la conexión entre ellas se fortalecerá. En las palabras de Hebb: “Cuando un axón de la célula A está lo suficientemente cerca como para excitar la célula B, o repetidamente toma parte en su activación, algún proceso de crecimiento o cambio metabólico tiene lugar en una o en ambas células tal que la eficiencia de A, como una de las células que disparan a B, se incrementa”. La esencia de la idea de Hebb ha sido capturada por el slogan “Cells that fire together wire together” (traducción literal: “células que se disparan juntas se conectan juntas”, es decir, permanecen más sensibles para activarse nuevamente ante la repetición de los mismos estímulos). Esta teoría que originalmente ha dado cuenta de la naturaleza del aprendizaje y la memoria como ya veremos, ha sido usada para explicar otros aspectos de la función sináptica, especialmente la construcción de sinapsis durante el desarrollo. Bastante se ha descubierto sobre los neurotransmisores que subyacen a la plasticidad de Hebb. Por ahora podemos decir que la liberación de glutamato desde las terminales presinápticas tiene como objetivo dos clases de receptores postsinápticos, unos graban que la célula post estuvo activa y otros graban cuál fue la terminal presináptica que los contactó. De este modo, la célula post es capaz de detectar la con- currencia de pre y postsináptica actividad y entonces ayudar a conectar esa célula con todas las terminales presinápticas que fueron activadas cuando la neurona postsináptica disparó su potencial de acción. Parece muy confuso, no??? Pero es así, tal cual ocurre. Vuelvan a leerlo lentamente y luego continúen con la lectura que ampliará estos conceptos. Hebb sugería que en virtud de incrementar la eficiencia de las conexiones y consolidarlas, algo como nuevos crecimientos necesitaban ocurrir. Había poca evidencia en ese momento sobre lo que hoy ha sido observado puntualmente: la estimulación provoca actividad neuronal que induce al crecimiento. Los estudios de Eric Kandel (Premio Nobel 2000) y sus colegas de la Universidad dí Columbia han demostrado que la plasticidad neuronal es acompañada por ramificaciones de los axones y la formación de nuevas sinapsis durante el desarrollo y el aprendizaje. Una vez que esto ocurre, el potencial de acción que viene desde el axón será más efectivo en activar la célula postsináptica porque activará más sinapsis de esa célula. Continuamos viendo como la selección (por estimulación ambiental) y la instrucción (dictada por los genes) caminan juntas en el desarrollo cortical. Ambas, selección e instrucción, nos dicen en última instancia, que lo que un circuito neuronal hará y cómo lo hará está determinado epigenéticamente, es decir, por la influencia de genes y ambiente (tanto externo como interno). IV-3 Human cortical developmental - INVESTIGACIÓN El desarrollo del cerebro humano es estructural y funcionalmente un proceso no lineal y entender la maduración del cerebro normal es esencial para entender los desórdenes del desarrollo. La naturaleza heteromodal del desarrollo cognitivo del cerebro es evidente gracias a los estudios de imágenes funcionales (fMRI, PET) Estos estudios muestran cambios regionales en la densidad de la materia gris durante la infancia y adolescencia con un imcremento prepuberal seguido de una pérdida postpuberal. La densidad de la materia gris en MRI es una medida indirecta de una compleja arquitectura de la glía y de neuronas con dendritas y procesos sinápticos. Los estudios de su maduración muestran una pérdida en su densidad todo el tiempo, que tiene correlatos con los hallazgos postmorten de incremento de poda sináptica durante la adolescencia y temprana adultez. El estudio que les comentaré sobre desarrollo de materia gris se realizó con una muestra de 13 personas de 4 a 21 años que fueron escaneados con MRI cada 2 años por un término de 8 a 10 años. La hipótesis de la investigación es que el desarrollo de materia gris en niños hasta la temprana adultez sería no lineal como se describió antes y progresaría en forma localizada en cada región específica coincidiendo con la maduración funcional. Además las regiones asociadas con las funciones más primarias (por ejemplo el córtex motor primario) se desarrollarían más temprano comparadas con las regiones que procesan conductas más complejas e integrativas (lóbulos frontal y temporal). Los resultados muestran alta heterogeneidad: el desarrollo de la materia gris aparece siguiendo la secuencia de la maduración funcional, con las regiones sensoriomotoras primarias seguidas por los polos frontal (gusto - olfato) y occipital madurando primero y el resto del córtex desarrollándose en la dirección parietal- a- frontal (de atrás hacia delante). El córtex temporal superior, que contiene las áreas de asociación que integran información de distintas modalidades sensoriales, madura último. La maduración de la corteza también aparenta seguir la secuencia de evolución en la cual estas regiones fueron creadas. Estas comparaciones con el desarrollo cortical normal pueden ayudar a entender algunos desórdenes del neurodesarrollo en la infancia como la esquizofrenia o el autismo. Time-Lapse Imaging Tracks Brain Maturation from ages 5 to 20 Imágenes de fMRI de niños y adolescents saludables de 5 a 20 años de edad (15 años de desarrollo cerebral). El rojo indica mayor cantidad de materia gris, el azul menor cantidad. La materia gris disminuye de atrás hacia adelante durante la maduración cerebral y la poda de las conexiones neuronales. Las zonas de las funciones más básicas maduran más temprano mientras que las funciones de nivel más alto maduran más tarde. El córtex prefrontal que se encarga del razonamiento y otras funciones “ejecutivas” emerge tarde en la evolución y es casi el último en madurar. Estudios en gemelos han demostrado que el desarrollo de las áreas que maduran más tarde está menos influenciado por la herencia que las áreas que maduran más temprano. 17/05/2004 Source: Paul Thompson, Ph.D. UCLA Laboratory of Neuroimaging IV-4 Resultados de la investigación: El estudio muestra una alta heterocronicidad del desarrollo cortical humano, sugiriendo que las subregiones en forma indvidual siguen temporariamente distintas trayectorias de maduración en las cuales las áreas de asociación de alto nivel maduran después de las regiones sensoriomotoras de bajo nivel, es decir, cuando las funciones que ellas integran han madurado. Además aparece que las áreas corticales filogenéticamente más antiguas maduran más temprano que las más nuevas La maduración del lóbulo frontal progresa en una dirección atrás-adelante, comenzando en el córtex motor primario (el giro precentral) y se propaga hacia la zona anterior sobre el giro frontal superior e inferior, desarrollándose último el córtex prefrontal. Por lo tanto, el polo frontal madura aproximadamente a la misma edad que el córtex motor primario. En la mitad posterior del cerebro, la maduración comienza en el área sensorial primaria, extendiéndose lateralmente sobre el resto del lóbulo parietal. Similar al polo frontal, el polo occipital madura temprano. Los lóbulos temporales laterales son los últimos en madurar. Entonces, la secuencia en que madura el córtex coincide con las etapas relevantes de desarrollo cognitivo y funcional. Partes del cerebro asociadas con las más básicas funciones maduran más temprano: las regiones sensoriales y motoras maduran primero, seguidas por las áreas involucradas en la orientación espacial, el desarrollo del lenguaje y atención (más arriba y más debajo de los lóbulos parietales). Más tarde maduran las áreas que procesan las funciones ejecutivas, atención y coordinación motora (lóbulos frontales). El polo frontal, relacionado con el gusto y el olfato, y el polo occipital relacionado con el córtex visual, también maduran temprano. Esta secuencia de maduración se reflejó con picos en los valores máximos de sustancia gris. Visualmente el córtex prefrontal y el parietal inferior del hemisferio izquierdo maduran más temprano que las correspondientes regiones del lado derecho. La causa puede deberse al hecho de que la mayoría de los sujetos en esta muestra son diestros de mano, con un hemisferio izquierdo dominante que madura más temprano. El lóbulo temporal sigue un patrón distinto de maduración. Los polos temporales maduran más temprano. La mayor parte del resto de esta zona maduró durante el tiempo que duró el estudio, excepto una pequeña región en la parte posterior del STG (giro temporal superior), que parece madurar última. En los humanos el córtex temporal, en particular la parte posterior del surco temporal superior, el STG, es un sitio de asociación heteromodal (junto al prefrontal y al parietal inferior) y se relaciona con la integración de la memoria, la asociación audiovisual y el reconocimiento de objetos. Por lo tanto, la corteza temporal continúa su maduración después que las otras áreas de asociación que ella integra estén relativamente desarrolladas. Los procesos exactos que subyacen a la pérdida de materia gris todavía no son conocidos. La materia blanca se incrementa en las primeras cuatro décadas por la mielinización de los axones y podría parcialmente explicar la pérdida de materia gris. Las diferencias en los tiempos de maduración de las regiones cerebrales puede resultar de la heterocronía de la poda sináptica cortical. Es interesante observar que en el córtex frontal, la región dorsolateral es la última en madurar, coincidiendo con su tardía mielinización y demostrando que la poda y la mielinización pueden ocurrir en paralelo. Estos descubrimientos pueden tener importantes implicancias clínicas. Por ejemplo, el autismo, con onset (entrada, acceso) antes de los 3 años de edad, muestra hiperplasia cerebral global en la materia gris en los primeros dos años de vida y amplios volúmenes de materia gris frontal y temporal a los 4 años, seguidos por un crecimiento lento en estas regiones a los 7 años. La entrada a la esquizofrenia en la niñez, con una edad de acceso alrededor de los 10 años, es asociada con una pérdida brusca de materia gris en la zona parietal, que progresa durante la adolescencia en un patrón atrás-adelante. Mientras que la esquizofrenia del adulto (la forma más típica) está más fuertemente asociada con déficits en la tardía maduración de las regiones temporal y frontal y está asociada con anormalidades selectivas de regiones heteromodales. Por lo tanto, alteraciones en grado o tiempo del patrón de maduración normal puede ser causa de estos trastornos del neurodesarrollo o también pueden manifestarse como trastornos del aprendizaje cuando las alteraciones son leves. El sustrato cortical de estos cambios corticales puede ser una combinación de mielinización, poda sináptica, y cambios en la densidad neuronal, glial, vascular en diferentes capas corticales. Los análisis se basaron en 52 scans, de los cuales fueron creados 1976 modelos anatómicos, de 13 sujetos estudiados con un promedio de 125 de CI, por lo que refleja un sesgo en el estudio del National Institute of Mental Health. Las diferencias de género en la maduración cerebral no pudieron ser exploradas porque eran sólo seis varones y siete mujeres en la muestra. De todas formas estos hallazgos brindan importante información sobre la secuencia de maduración del desarrollo temprano del cerebro y su relación con las etapas cognitivas de evolución. Este trabajo ha sido sostenido por el National Institute of Mental Health Intramural Funding; la investigación fue concedida por el the National Institute for Biomedical Imaging and Bioengineering (EB 001561) y el National Center for Research Resources (P41 RR13642 and R21 RR19771). Kurt Fisher, neuropsicólogo y director del programa “Mente, cerebro y educación” de la Universidad de Harvard ha conducido una investigación en la Ed School que ha revelado importantes correlaciones entre el desarrollo psicológico y el desarrollo cerebral. Lamentablemente todavía no nos ha llegado completa pero sí sus resultados. Los niños, adolescente y adultos jóvenes demostraron clara explosiones de óptima performance correspondientes para habilidades particulares a las edades de 3½-4 ½, 6-7, 10-12, 14-16, 19-21, y 24-26 años. Los estudios de actividad cortical también mostraron explosiones de crecimiento físico del cerebro a edades similares. Durante estos períodos, nuevas formas de procesamiento en el córtex promueven nuevos aprendizajes y crean una mayor posibilidad de recuperar viejos problemas de aprendizaje. Ciertamente este trabajo explica mucha de la adaptación del aprendizaje humano y muestra por qué adultos pueden también aprender nuevos conocimientos. Fisher reflexiona sobre el hallazgo de los cambios corticales que se relacionan con los cambios cognitivos. Eventualmente, dice, esta investigación influirá sobre importantes nuevos desarrollos en la currícula escolar y sobre modificaciones en los estilos de enseñanza. Pero, agrega, aún hay un montón que no sabemos y debemos seguir investigando, por cierto. IV-5 Ambientes estimuladores y plasticidad cortical Cómo los diferentes ambientes y especialmente el aprendizaje afectan al desarrollo del cerebro. En la California de los años `60 una tranquila revolución se estaba gestando en la University of Berkeley. En el laboratorio de biología, Mark Rosenzweig y sus colegas Edward Bennett, Marian Diamond, and David Krech, cuestionaban la larga permanencia de la separación entre psicología y biología y entre nuestra experiencia conciente del mundo y los cambios físicos en nuestros cerebros. Su propuesta “la experiencia puede inducir concretos y observables cambios en la estructura del cerebro”, influiría profundamente en nuestra comprensión de la relación entre la educación y la mente humana décadas más tarde. En Harvard, para esta misma época, David Hubel y Torsten Wiesel estudiaron gatos recién nacidos, ciegos de un ojo y demostraron que esta deprivación causaba profundos cambios estructurales en la corteza visual de los gatos. Dejaron claro que una severa deprivación durante períodos críticos de desarrollo podía tener catastróficos efectos en el desarrollo del cerebro, pero la cuestión era si lo opuesto era también verdad. Si experiencias tempranas negativas podían alterar el cerebro, podrían experiencias positivas mejorarlo? Y podrían condiciones menos severas que la ceguera producir cambios en la estructura física del cerebro? Unos años más tarde el equipo de Berkerley completó una serie de experimentos que comenzaron a contestar esas preguntas. Ellos encontraron que ratas bebés (25 días) criadas en un ambiente “enriquecido”, con juguetes y actividades sociales (combinación de estimulación intelectual y social), no sólo eran más inteligentes que las ratas criadas en ambientes deprivados sino que también el progreso en su performance correlacionaba con un incremento en el peso de su corteza cerebral. La idea de que el cerebro como un músculo, puede responder a “ejercicios cerebrales” con crecimiento físico, sorprendió a muchos y dio fuerza a la poderosa teoría de que todos los aspectos de la mente, desde la memoria a las emociones, tienen su correlato físico en el cerebro. Este estudio fue seguido por otros similares que demostraron el crecimiento cerebral ocurrido en ratas adultas que vivían en un ambiente estimulado, donde debían aprender a manejar distintos elementos para subirse y realizar los ejercicios, quienes tenían un mejor desempeño en tareas de resolución de problemas que aquellas ratas de ambientes solitarios. Estos hallazgos junto con investigaciones similares de la University of Illinois at Champaign, demostraron que el incremento del peso cortical era acompañado por un incremento en las ramificaciones de las dendritas y a su vez demostraron que un crítico componente del ambiente enriquecedor es el que induce al aprendizaje (la actividad sola no era suficiente para incrementar el córtex de las ratas). Pero cuidado!!!!!!!!! Grandes cerebros no correlacionan con animales inteligentes, ni tampoco con seres humanos inteligentes. Los educadores tienen muy en claro que los chicos que son expuestos a una rica y variada educación en épocas tempranas de su vida, desarrollan una gran capacidad para el aprendizaje. Las nuevas conexiones que su cerebro realizó en esos ambientes enriquecedores y el fortalecimiento de conexiones existentes que no participarán de la poda neuronal, aumentaron su corteza cerebral en densidad y peso desarrollando las zonas estimuladas sobre las que se formarán los conocimientos de mayor nivel, facilitando los mismos. Recientes investigaciones demostraron que el cerebro está siempre modificándose debido al aprendizaje y a nuestro ambiente. Las posibilidades del cambio neuropsicológico son muy altas. La habilidad que tiene el cerebro para modificarse se llama plasticidad. Debido a esta habilidad del cerebro para formar nuevas redes neurales, nuevas conexiones durante el proceso de aprendizaje con la estimulación adecuada, las alteraciones en su funcionamiento que producen trastornos del desarrollo o del aprendizaje pueden rehabilitarse o eventualmente lograr el mejor funcionamiento posible de las áreas con déficts. Ese es el objetivo del tratamiento neuropsicológico. La recuperación se logra con programas de estimulación (informatizados y no informatizados) garantizada por la increíble plasticidad cerebral. IV-6 Cocaína y plasticidad Anfetaminas y cocaina limitan la habilidad de la experiencia para promover la plasticidad neuronal en el neocórtex. (Kolb, B. Proc. National Academy of Science. USA 100, 10523–10528 (2003) | PubMed | ) Puede el abuso de drogas interferir con la experiencia y el aprendizaje en la modificación cerebral? Los autores investigaron a ratas tratadas con anfetaminas y cocaina y encontraron que las drogas limitaban la capacidad que tiene un ambiente estimulador para alterar la estructura dendrítica. Es decir, hallaron que la plasticidad neuronal estaba disminuída. Esta interferencia puede relacionarse con los déficits cognitivos que están asociados al abuso de drogas. IV-7 Cerebros: diferentes pero los mismos A pesar de la tremenda similiaridad de nuestros cerebros, todos actuamos diferente, tenemos habilidades únicas y tenemos distintas preferencias, deseos, esperanzas, sueños y temores. La llave de la individualidaad no puede ser encontrada en la organización superficial de cerebro (sus divisiones en regiones y áreas) pero sí en el entramado de sus redes. Para entender las cualidades que definen a una persona necesitamos conocer la estructura microscópica y las funciones de su sistema neural y especialmente las células y sinapsis que ellas forman. Todos los órganos y tejidos del cuerpo están compuestos por células. Pero sólo las células del cerebro, las neuronas, se comunican directamente una con la otra. No hay nada mágico en este proceso, las neuronas están construidas de manera que pueden intercambiar información entre ellas en la forma que otras células no pueden. Patrones comunes de comunicación entre neuronas aseguran que todos los cerebros humanos trabajan básicamente del mismo modo y sutiles diferencias en esos patrones de comunicación dan lugar a cualidades distintivas de cada uno de nosotros. En las postrimerías del siglo XIX, los científicos debatían ferozmente sobre si el cerebro estaba formado por un retículo de elementos conectados continuamente (teoría ventricular sostenida por el anatomista italiano Camilo Golgi) o si eran células individuales, neuronas, que se comunicaban unas con otras (teoría celular apoyada por el español Santiago Ramón y Cajal). Uno de los más tempranos y poco conocidos soldados en la guerra de las neuronas fue el joven Sigmund Freud. Después de completar su entrenamiento médico en Viena, Freud aceptó un lugar como investigador y estudió el sistema nervioso de peces y cangrejos. En 1880, bastante antes que la doctrina neuronal fuera aceptada, él promovió la idea que las células nerviosas estaban físicamente separadas unas de otras. Este concepto más tarde fue tema prominente de una de sus incursiones más tempranas en la teoría psicológica. En “Project for a Scientific Psychology” escrito en 1895 pero no publicado por muchas décadas, Freud sostiene que “el sistema nervioso consiste en neuronas construídas similarmente que terminan unas sobre otras”. El introduce el término “contact barriers” (algo así como límites de contacto) para describir el punto donde las neuronas se empalman y sugiere que la interacción entre neuronas a través de “contact barriers” hace posible la memoria, la conciencia y otras facetas de la mente. Esta noción fue altamente sofisticada para esa época. Freud sintió que el progreso en entender el cerebro sería demasiado lento para su gusto y así abandonó la teoría neural de la mente a favor de una puramente psicológica. El resto es historia. En 1906 Cajal y Golgi compartieron el Premio Nobel por sus investigaciones sobre la anatomía del cerebro. Pero aún no estaba definitivamente probado que el sistema nervioso estaba compuesto por células. Con la invención del microscopio electrónico en 1950, los científicos pudieron finalmente investigar el cerebro con suficiente resolución como para ver que las delgadas fibras que se extienden desde las neuronas no hacen un contacto físico directo con sus vecinas. Ciertamente ellas están separadas por pequeños espacios (espacios sinápticos), a través de los cuales el cerebro hace su tarea. Las preguntas sobre esta clase enviarlas a [email protected] hasta el viernes próx. inclusive.