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MODULO II UNIDAD 3 CAPITULO 4
MAPAS RELACIONADOS CON SENTIDOS FISIOLOGICOS
El principal invento de la evolución de los animales, es el cerebro y la conciencia. Algunos invertebrados tienen sistemas nerviosos sencillos. Mecanicamente, la corteza del cerebro y la sensación de tener conciencia se explican partiendo de una red neuronal enormemente interconectada donde las conexiones fallidas provocan la "muerte infantil" de la neurona ineficaz y donde uno de los mecanismos reside en que esas redes se transforman en mapas de la corteza cerebral asociados con los sentidos fisiológicos, mapas que permiten, por el mecanismo de reentrada, adquirir conciencia de la realidad, las oportunidades y los riesgos que rodean al animal provisto de un sistema nervioso desarrollado. No todos los temas de esta afirmación se pueden dilucidar en una sola pastilla, pero enfrentaremos aquí el intento de aclarar algunos de los más importantes. La unidad básica para entender al cerebro es una red mínima de neuronas: no puede haber menos de dos para lograr entender algo. (Regla de Hopfield, regla 30).
Recordamos que en la lectura 20 hemos presentado la autoorganización cerebral con dos neuronas de este último autor (Tank y Hopfield).
Recomendamos la relectura de ese texto. Ahora veremos un tema nuevo: cómo funcionan las neuronas comunicadas entre ellas en tiempo normal. Ellas lo hacen con señales eléctricas o químicas. La sinapsis es la conexión de una neurona presináptica que tiene la forma de un botón en ese sitio con otra neurona postsináptica que aloja o rodea a ese botón dejando entre ambas una delgada hendidura sináptica, o reactor neuro-electro-químico. Fig bcd.
Fig bcd
En efecto, hay sinapsis llamadas eléctricas y otras, más abundantes, denominadas químicas.
En las primeras la codificación de la información no sufre transformación alguna al pasar de una neurona pre- a una postsináptica que la sigue.
En las segundas, las sinapsis químicas, la información consiste en un conjunto de señales codificadas en frecuencia (la frecuencia es la rapidez o ritmo con que se acercan las olas u ondas) que llegan justo hasta la hendidura sináptica. Esas señales son el resultado de la integración de un buen número, a veces de una multitud de señales eléctricas, dendríticas y somáticas (o sea los ramales o ramificaciones llamadas dendritas y la zona central más gorda de la célula neuronal, llamada soma) codificadas en amplitud (o sea la altura de la ola u onda). Esa integración corresponde a una suerte de suma algebraica (teniendo en cuenta los dos signos posibles de las señales). Llegada la codificación a la hendidura, se traducen las señales eléctricas codificadas en frecuencia en otro lenguaje químico, consistente en el número (alto o bajo) de neuromoléculas liberados a la hendidura. Difundidas con diferente buen éxito (debido a la presencia de todo tipo de reguladores positivos y negativos) a través de la hendidura, al llegar al otro borde, llamado postsinápticoesas moléculas, el lenguaje de concentraciones moleculares se vuelve a traducir al lenguaje eléctrico.
Las señales eléctricas son creadas por mecanismos de difusión y de transporte transmembranario de iones que se efectúan atravesando proteínas tubulares huecas en su interior, que están ubicadas en cada una de las dos membranas a uno y otro borde de la hendidura sináptica. Esas proteínas bombean iones hacia zonas muy reducidas de la neurona ppostsináptica donde entonces cambia transitoriamente la concentración de cargas eléctricas dentro y fuera de la célula. Esos movimientos iónicos engendran variaciones de polaridad eléctrica. En reposo (0) el interior de la neurona esdtá cargado negativamente con respecto a la hendidura sináptica y el espacio extracelular. En actividad (1) la situación se reversa durante un período de un milésimo de segundo. Cuando la señal eléctrica se produce en el axón, las señales eléctricas reciben el nombre de "potenciales de acción" y resultan tener una amplitud ("altura de la ola") constante. (Se debe aclarar que las señales eléctricas son ondas en un sentido especial, solo lejanamente parecidas a una ola del mar). Su modulación de la amplitud ocurre después de la sinapsis (sobre todo las dendríticas y somáticas) y son denominadas, en este caso, con el apelativo de "potenciales post-sinápticos". Todos estos potenciales resultan de los cambios de la permeabilidad membranaria. Las propiedades funcionales, en especial la excitabilidad, de la membrana depende a la vez de su estructura fisico-química y de la composición iónica de los medios intra y extracelulares.
Los cambios eléctricos que conciernen a una región del axón denominada "activa" (que es la zona del potencial de acción) han de engendrar corrientes locales entre la zona activa y las áreas adyacentes. Estas corrientes locales explican la propagación de las señales nerviosas sin que sea necesario hacer intervenir reacciones electroquímicas.
La membrana celular incluye en su estructura a receptores, que son proteinas sensibles a las señales químicas que, acopladas como lo están con las moléculas que han de ser recibidas por dichos receptores, provocan cambios en la permeabilidad membranaria. Esos receptores pueden ser sensibles a numerosos tipos de moléculas (por ejemplo, neurotransmisores de tipo ácido o amina; y neuromoduladores o neuroreguladores de tipo peptídico). En la lectura siguiente se estudia la incidencia de un neurotransmisor sobre la conducta (0) de saciedad o (1) de hambre en la sanguijuela.
LECTURA 33-Lent y Dickinson - serotonina y el ciclo vital de la sanguijuela
El desarrollo del sistema nervioso del Hirudo medicinalis aparece en Proceedings of the course on Developmental Neurobiology, Gunther S. Stent, Development of a Simple Nervous System, volumen 1, p. 64.
En los animales provistos de sistemas nerviosos, las señales asociadas con el ambiente externo son detectados por sus sentidos fisiológicos. Esos sentidos fisiológicos que captan lo externo se corresponden con mapas de la corteza cerebral interna. Se suele destacar que la parte importante del cerebro está constituido por materia gris, una mezcla de neuronas y sus parientas chaperonas, las neuroglias, que abrazan a los capilares con sangre. Esa materia gris está ubicada en las circunvoluciones exteriores del cerebro y se denomina corteza cerebral o córtex. Cuanto más grande es la superficie del córtex que ocupan estos mapas, tanto más importante se manifiesta la función biológica que cumple el sentido fisiológico "mapeado" por el mapa.
Vamos a dar un primer ejemplo de un sentido fisiológico fácil de reconocer porque es muy puntual y su correspondiente mapa en el córtex. El sentido fisiológico es el del tacto de los bigotes sensibles (vibrissae) que crecen en el labio superior de casi todos los mamíferos existentes. No tienen bigotes sensibles solamente los órdenes a los cuales pertenece el hombre, el delfín y el elefante. Los vibrissae son típicas herramientas biológicas mediante las cuales el mamífero puede reconocer el mundo que lo rodea.
En el ratón hay normalmente 33 vibrissae a cada mitad del labio superior, que llamamos entonces la periferia mapeada. Cada uno de los 33 sale de un folículo con un músculo que lo puede poner erecto (1) o descansado (0). Desde cada folículo parte un haz de nervios hacia el mapa, que es un sector de superficie cuatro veces más grande que el labio superior mapeado. No siempre los mapas son tan gigantescos, solamente lo son cuando el sentido fisiológico mapeado es muy importante.
¿Cómo es el mapa? Si el ratón tiene 33 bigotes a la derecha del labio superior, en su hemisferio izquierdo cerebral hay una superficie cortical muy grande con 33 barriles, que son estructuras de neuronas. Se llaman barriles porque son cilindros "huecos" con paredes que son neuronas altamente compactadas que rodean a "huecos" con pocas células. Vamos a decir algo sobre que la mitad izquierda del cuerpo estás monitoreado por el hemisferio derecho del cerebro y que la mitad derecha está monitoreado por el hemisferio izquierdo. Esto viene desde los ancestros: los nervios provenientes de la izquierda se cruzan en un nudo neurálgico y evolucionan a la derecha; esto es simétrico para el otro caso. Todos los vertebrados están construídos así. Esto se podría usar como un ejemplo de la ley de Dollo (regla 11): la evolución es irreversible, salió bien la primera vez y ahora no hay manera de volver atrás en lo que se perpetuó de generación en generación. Como curiosidad, entre primates y seres humanos hay una prevalencia de los diestros sobre los zurdos, porque muchos genes dominantes conducen a que las funciones más importantes humanas se hereden alojadas en el hemisferio izquierdo (el habla y el manejo preferencial de la mano derecha).
A un investigador curioso no le causa mucho trabajo identificar externamente los 33 bigotes del ratón y destruir alguno de ellos en las etapas previas a la fijación de la ubicación de los folículos. Observa que una zona del mapa, que se puede identificar con precisión mediante técnicas histológicas, tiene barriles muy cambiados y débiles. Además puede retorcer bigotes y observar el impacto en la zona de los barriles. Basta que el investigador manipulee en distintas direcciones a los bigotes, para que con las técncias disponibles se aprecie la respuesta cerebral. Según la técnica de Mountcastle, se estimulan naturalmente estructuras externas o internas del animal de laboratorio y se registra la respuesta eléctrica (electroencefalograma) asociada con el estímulo a diversas alturas del cerebro. Cada bigote se asocia con un sitio del cortex que deja en el tejido cerebral del cortex una nítida marca coloreada (técnica habitual de la histología) como respuesta a excitarlo.
Lo que hace único a este sistema es el alto orden topológico exhibido, tanto en los bigotes que están a la vista como en el cerebro que ellos excitan y que está en el interior, pero facilmente visualizable por las técnicas histológicas (coloreadas) existentes.
Hay otra técnica diferente que exige un animal que conteste. Es la denominada de Penfield y consiste en que el investigador excita el córtex cerebral humano de un paciente y le pregunta qué es lo que siente. Con ello construye un mapa, del cual el más interesante se muestra en la figura xxc.
xxc.
Con lo que está estudiando en este capítulo, usted, al mirar el mapa,
podría decir cuál pieza anatómica es la favorita de la biología humana.
Contestación en el solucionario.
Lo importante es que la anatomía del sistema es muy ordenada, orden
que lo estimula al investigador a tratar de entender lo que sucede.
Como siempre rige la ley cero: en los gatos y otros mamíferos, no
hay orden alguno. Pero volviendo a los animales donde sí hay orden,
nos preguntamos cuál es la función del sistema bigote-barril. Lo que
se deduce es que los bigotes transmiten a los barriles datos espaciales,
o sea que existe una transmisión que le marca al cerebro qué pasa
en el espacio donde esos bigotes, actúan como receptores de señales
del ambiente.
Todos los ensayos que con curiosidad se podrían haber hecho, ya se
han intentado.
Desde un punto de vista de la teoría de la evolución, queda claro
que la presión selectiva puede forzar a través de sus mecanismos,
a que los genes del genoma a modifiquen al cerebro: en este caso
se aumenta el tamaño del labio y se aumenta tambien el tamaño del
mapa y su compartimentalización de la representación sensorial. Si
no se aumentara el sitio para los barriles, éstos hubiesen seguido
siendo débiles e incompletamente desarrollados. Por selección artificial
el investigador está logrando una modificación en el cerebro, está
modificando el mapa de los barriles asociados con los vibrissae del
labio. El curso del experimento es así: el investigador cuenta los
bigotes de diversas lechingadas de ratones; en base a ese recuento
proyecta cruzas que prometan mayor número de bigotes. Está seleccionando
genomas con un número mayor. En esos genomas aparecen tambien como
seleccionados, por vía indirecta, el número de barriles nmecesarios
y la superficie dedicada a los bigotes en el córtex.
Hemos visto un notable ejemplo donde el orden biológico es al mismo
tiempo orden topológico (como los soldaditos desfilando). En la figura
www
www de fidia mostramos
un esquema simplificado de ensayos cuando se comparan 9 bigotes con
sus 9 basrriles (y no 33) : el sistema está espacialmente ordenado. Pero
apliquemos la ley de Teofrasto (regla 0) y completemos la informacion
indicando que en los gatos y en otros roedores que no son ratones,
no se encuentra orden topológico alguno. La ubicación de los barriles
corticales en el mapa, en gatos, no se corresponden con la ubicación
de los bigotes en el labio y sin embargo guardan un similar orden
biológico, que no necesita ser topológico para satisfacer los requisitos
para los cuales la selección natural los acondicionó.
CONCLUSIONES RAZONADAS:
¿Para qué el ratón necesita de sus vibrissae9 Es lo mismo que preguntarnos
para qué los humanos necesitamos ver o sentir agrado o asco ante nutrientes
candidatos a ser ingeridos. Los bigotes, la vista y el sentido del
gusto por un alimento para conocer el mundo externo en tanto en cuanto
nos puede beneficiar o penalizar. Ese conocimiento no lo podemos
adquiri a menos que estemos concientes: los sueños no nos sirven
para llegar a esas conclusiones. La conciencia se basa en una enorme
cantidad de mapas de nuestro cerebro, en estado de operación activa,
realizando entre todos una tarea de monitoreo de la realidad. Por
consiguiente, los sentidos fisiológicos, el conocimiento y la conciencia
están todos interrelacionados y nunca entenderemos profundamente el
papel biológico de los sentidos fisiológicos si no nos preparamos
para enfrentar, como estudiantes de biología, los problemas del conocimiento
innato o adquirido y de la conciencia en lugar de la simple comprensión
de cómo un sentido fisiológico transmite sus señales a un mapa de
ese sentido ubicado en la corteza cerebral. ¿Por qué problemas de
conocimiento? Porque nuestra memoria conciente o nuestro instinto
innato nos lleva a desconfiar de riesgos del tipo de los que afectaron
a nuestros ancestros y nos lleva a aceptar otros que nos traen beneficios. ¿Por
qué conciencia? Porque necesitamos de esa conciencia para decidir.
El tema se deriva del texto Developmental Neurobiology, volumen 1 de Fidia
Research Foundation
Van der Loos
Constantine-Paton
Volumen 2 Semir Zeki
Edelman
Un mapa es una alineación estereotipada que se forma en la corteza
cerebral asociada, en este caso, con un sentido fisiológico, el sentido
del tacto. Esa alineación no solamente puede representar un sentido
externo, sino que puede servir para muchos otros destinos, por ejemplo
durante el pensamiento.
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