La neuroanatomía es el estudio de la estructura y organización del sistema nervioso . A diferencia de los animales con simetría radial , cuyo sistema nervioso consiste en una red distribuida de células, los animales con simetría bilateral tienen sistemas nerviosos definidos y segregados. Por lo tanto, su neuroanatomía se entiende mejor. En los vertebrados , el sistema nervioso está segregado en la estructura interna del cerebro y la médula espinal (en conjunto llamados sistema nervioso central o SNC) y la serie de nervios que conectan el SNC con el resto del cuerpo (conocido como sistema nervioso periférico o SNP). Desglosar e identificar partes específicas del sistema nervioso ha sido crucial para descubrir cómo funciona. Por ejemplo, gran parte de lo que los neurocientíficos han aprendido proviene de la observación de cómo el daño o las "lesiones" en áreas específicas del cerebro afectan el comportamiento u otras funciones neuronales.
Para obtener información sobre la composición de los sistemas nerviosos de los animales no humanos, véase sistema nervioso . Para obtener información sobre la estructura típica del sistema nervioso del Homo sapiens, véase cerebro humano o sistema nervioso periférico . Este artículo analiza información pertinente al estudio de la neuroanatomía.
El primer registro escrito conocido de un estudio de la anatomía del cerebro humano es un antiguo documento egipcio , el Papiro de Edwin Smith . [1] En la Antigua Grecia , el interés por el cerebro comenzó con el trabajo de Alcmeón , quien parece haber diseccionado el ojo y relacionado el cerebro con la visión. También sugirió que el cerebro, no el corazón, era el órgano que gobernaba el cuerpo (lo que los estoicos llamarían el hegemonikon ) y que los sentidos dependían del cerebro. [2]
El debate sobre el hegemonikon persistió entre los filósofos y médicos de la antigua Grecia durante mucho tiempo. [3] Aquellos que defendían el cerebro a menudo también contribuyeron a la comprensión de la neuroanatomía. Herófilo y Erasístrato de Alejandría fueron quizás los más influyentes con sus estudios que implicaban la disección de cerebros humanos, afirmando la distinción entre el cerebro y el cerebelo e identificando los ventrículos y la duramadre . [4] [5] El médico y filósofo griego Galeno , de la misma manera, defendió firmemente el cerebro como el órgano responsable de la sensación y el movimiento voluntario , como lo demuestra su investigación sobre la neuroanatomía de los bueyes , los monos de Berbería y otros animales. [3] [6]
El tabú cultural sobre la disección humana continuó durante varios cientos de años después, lo que no trajo consigo ningún progreso importante en la comprensión de la anatomía del cerebro o del sistema nervioso. Sin embargo, el Papa Sixto IV revitalizó eficazmente el estudio de la neuroanatomía al alterar la política papal y permitir la disección humana. Esto dio lugar a una oleada de nueva actividad por parte de artistas y científicos del Renacimiento, [7] como Mondino de Luzzi , Berengario da Carpi y Jacques Dubois , y culminó con la obra de Andreas Vesalius . [8] [9]
En 1664, Thomas Willis , médico y profesor de la Universidad de Oxford, acuñó el término neurología cuando publicó su texto Cerebri Anatome , que se considera la base de la neuroanatomía moderna. [10] Los trescientos cincuenta años posteriores han producido una gran cantidad de documentación y estudio del sistema neuronal.
A nivel tisular, el sistema nervioso está compuesto por neuronas , células gliales y matriz extracelular . Tanto las neuronas como las células gliales son de muchos tipos (véase, por ejemplo, la sección del sistema nervioso de la lista de distintos tipos de células en el cuerpo humano adulto ). Las neuronas son las células de procesamiento de información del sistema nervioso: perciben nuestro entorno, se comunican entre sí a través de señales eléctricas y sustancias químicas llamadas neurotransmisores que generalmente actúan a través de sinapsis (contactos estrechos entre dos neuronas o entre una neurona y una célula muscular; tenga en cuenta que también son posibles los efectos extrasinápticos, así como la liberación de neurotransmisores en el espacio extracelular neuronal) y producen nuestros recuerdos, pensamientos y movimientos. Las células gliales mantienen la homeostasis, producen mielina (oligodendrocitos, células de Schwann) y brindan soporte y protección a las neuronas del cerebro. Algunas células gliales ( astrocitos ) pueden incluso propagar ondas de calcio intercelulares a largas distancias en respuesta a la estimulación y liberar gliotransmisores en respuesta a los cambios en la concentración de calcio. Las cicatrices de heridas en el cerebro contienen en gran parte astrocitos. La matriz extracelular también proporciona soporte a nivel molecular para las células del cerebro, transportando sustancias hacia y desde los vasos sanguíneos.
A nivel orgánico, el sistema nervioso está compuesto por regiones cerebrales, como el hipocampo en los mamíferos o los cuerpos en forma de hongo de la mosca de la fruta . [11] Estas regiones suelen ser modulares y cumplen una función particular dentro de las vías sistémicas generales del sistema nervioso. Por ejemplo, el hipocampo es fundamental para la formación de recuerdos en conexión con muchas otras regiones cerebrales. El sistema nervioso periférico también contiene nervios aferentes o eferentes , que son haces de fibras que se originan en el cerebro y la médula espinal, o en tipos sensoriales o motores de ganglios periféricos, y se ramifican repetidamente para inervar cada parte del cuerpo. Los nervios están hechos principalmente de axones o dendritas de neuronas (axones en el caso de fibras motoras eferentes y dendritas en el caso de fibras sensoriales aferentes de los nervios), junto con una variedad de membranas que los envuelven y los segregan en fascículos nerviosos .
El sistema nervioso de los vertebrados se divide en sistema nervioso central y periférico. El sistema nervioso central (SNC) está formado por el cerebro , la retina y la médula espinal , mientras que el sistema nervioso periférico (SNP) está formado por todos los nervios y ganglios (paquetes de neuronas periféricas) fuera del SNC que lo conectan con el resto del cuerpo. El SNP se subdivide a su vez en sistema nervioso somático y autónomo. El sistema nervioso somático está formado por neuronas "aferentes", que llevan información sensorial desde los órganos sensoriales somáticos (del cuerpo) al SNC, y neuronas "eferentes", que llevan instrucciones motoras a los músculos voluntarios del cuerpo. El sistema nervioso autónomo puede funcionar con o sin el control del SNC (por eso se le llama "autónomo"), y también tiene dos subdivisiones, llamadas simpático y parasimpático , que son importantes para transmitir órdenes motoras a los órganos internos básicos del cuerpo, controlando así funciones como el latido del corazón, la respiración, la digestión y la salivación. Los nervios autónomos, a diferencia de los nervios somáticos, contienen solo fibras eferentes. Las señales sensoriales que provienen de las vísceras llegan al SNC a través de los nervios sensoriales somáticos (p. ej., dolor visceral) o a través de algunos nervios craneales específicos (p. ej., señales quimiosensibles o mecánicas).
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En anatomía en general y en neuroanatomía en particular, se utilizan varios conjuntos de términos topográficos para indicar orientación y ubicación, que generalmente se refieren al eje del cuerpo o del cerebro (ver Términos anatómicos de ubicación ). A menudo se supone erróneamente que el eje del SNC es más o menos recto, pero en realidad muestra siempre dos flexuras ventrales (flexuras cervical y cefálica) y una flexura dorsal (flexura pontina), todo debido al crecimiento diferencial durante la embriogénesis. Los pares de términos utilizados con más frecuencia en neuroanatomía son:
Téngase en cuenta que dichos descriptores (dorsal/ventral, rostral/caudal; medial/lateral) son relativos más que absolutos (por ejemplo, se puede decir que una estructura lateral se encuentra medial a otra cosa que se encuentra incluso más lateralmente).
Los términos que se utilizan habitualmente para los planos de orientación o planos de sección en neuroanatomía son "sagital", "transversal" o "coronal" y "axial" u "horizontal". También en este caso, la situación es diferente para los animales nadadores, reptantes o cuadrúpedos (tumbados) que para el hombre u otras especies erectas, debido a la posición modificada del eje. Debido a las flexiones axiales del cerebro, ningún plano de sección logra nunca una serie completa de secciones en un plano seleccionado, porque algunas secciones resultan inevitablemente cortadas oblicuas o incluso perpendiculares a él, a medida que pasan por las flexiones. La experiencia permite discernir las porciones que resultan cortadas como se desea.
Según estas consideraciones, las tres direcciones del espacio están representadas precisamente por los planos sagital, transversal y horizontal, mientras que los cortes coronales pueden ser transversales, oblicuos u horizontales, dependiendo de cómo se relacionen con el eje cerebral y sus incurvaciones.
Los avances modernos en neuroanatomía están directamente relacionados con las tecnologías que se utilizan para realizar investigaciones . Por lo tanto, es necesario analizar las distintas herramientas disponibles. Muchas de las técnicas histológicas que se utilizan para estudiar otros tejidos también se pueden aplicar al sistema nervioso. Sin embargo, existen algunas técnicas que se han desarrollado especialmente para el estudio de la neuroanatomía.
En los sistemas biológicos, la tinción es una técnica utilizada para mejorar el contraste de características particulares en imágenes microscópicas.
La tinción de Nissl utiliza colorantes básicos de anilina para teñir intensamente los polirribosomas ácidos del retículo endoplasmático rugoso , que abunda en las neuronas. Esto permite a los investigadores distinguir entre diferentes tipos de células (como neuronas y glía ), y formas y tamaños neuronales, en varias regiones de la citoarquitectura del sistema nervioso .
La tinción clásica de Golgi utiliza dicromato de potasio y nitrato de plata para rellenar selectivamente con un precipitado de cromato de plata unas cuantas células neuronales (neuronas o glía, pero en principio cualquier célula puede reaccionar de forma similar). Este procedimiento, llamado impregnación con cromato de plata, tiñe total o parcialmente los cuerpos celulares y las neuritas de algunas neuronas ( dendritas , axones ) de marrón y negro, lo que permite a los investigadores rastrear sus recorridos hasta sus ramas terminales más delgadas en un corte de tejido nervioso, gracias a la transparencia consecuente con la falta de tinción en la mayoría de las células circundantes. Modernamente, el material impregnado con Golgi se ha adaptado para la visualización con microscopio electrónico de los elementos no teñidos que rodean los procesos teñidos y los cuerpos celulares, añadiendo así un mayor poder resolutivo.
La histoquímica utiliza el conocimiento sobre las propiedades de reacción bioquímica de los componentes químicos del cerebro (incluidas las enzimas en particular) para aplicar métodos selectivos de reacción con el fin de visualizar dónde se producen en el cerebro y cualquier cambio funcional o patológico. Esto se aplica de manera importante a las moléculas relacionadas con la producción y el metabolismo de neurotransmisores, pero también se aplica en muchas otras direcciones: la quimioarquitectura o la neuroanatomía química.
La inmunocitoquímica es un caso especial de histoquímica que utiliza anticuerpos selectivos contra una variedad de epítopos químicos del sistema nervioso para teñir selectivamente tipos particulares de células, fascículos axónicos, neuropilas, procesos gliales o vasos sanguíneos, o proteínas intracitoplasmáticas o intranucleares específicas y otras moléculas inmunogenéticas, por ejemplo, neurotransmisores. Las proteínas de factores de transcripción inmunorreaccionadas revelan la lectura genómica en términos de proteína traducida. Esto aumenta enormemente la capacidad de los investigadores para distinguir entre diferentes tipos de células (como neuronas y glía ) en varias regiones del sistema nervioso.
La hibridación in situ utiliza sondas de ARN sintético que se adhieren (hibridan) selectivamente a las transcripciones complementarias de ARNm de los exones de ADN en el citoplasma, para visualizar la lectura genómica, es decir, distinguir la expresión génica activa, en términos de ARNm en lugar de proteína. Esto permite la identificación histológica (in situ) de las células involucradas en la producción de moléculas codificadas genéticamente, que a menudo representan rasgos de diferenciación o funcionales, así como los límites moleculares que separan dominios cerebrales o poblaciones celulares distintos.
Al expresar cantidades variables de proteínas fluorescentes rojas, verdes y azules en el cerebro, el ratón mutante llamado " Brainbow " permite la visualización combinatoria de muchos colores diferentes en las neuronas. Esto marca a las neuronas con suficientes colores únicos como para que a menudo puedan distinguirse de sus vecinas con microscopía de fluorescencia , lo que permite a los investigadores mapear las conexiones locales o la disposición mutua (mosaico) entre neuronas.
La optogenética utiliza la expresión constitutiva y específica de sitios transgénicos (normalmente en ratones) de marcadores bloqueados que pueden activarse selectivamente mediante la iluminación con un haz de luz. Esto permite a los investigadores estudiar la conectividad axonal en el sistema nervioso de una manera muy discriminativa.
La resonancia magnética se ha utilizado ampliamente para investigar la estructura y la función cerebral de forma no invasiva en sujetos humanos sanos. Un ejemplo importante es la imagen por tensor de difusión , que se basa en la difusión restringida del agua en el tejido para producir imágenes de los axones. En particular, el agua se mueve más rápidamente a lo largo de la dirección alineada con los axones, lo que permite inferir su estructura.
Ciertos virus pueden replicarse en las células cerebrales y atravesar sinapsis. Por lo tanto, los virus modificados para expresar marcadores (como las proteínas fluorescentes) pueden usarse para rastrear la conectividad entre las regiones cerebrales a través de múltiples sinapsis. [12] Dos virus rastreadores que se replican y se propagan transneuronal/transinápticamente son el virus del herpes simple tipo 1 (HSV) [13] y los rabdovirus . [14] El virus del herpes simple se usó para rastrear las conexiones entre el cerebro y el estómago, con el fin de examinar las áreas cerebrales involucradas en el procesamiento viscero-sensorial. [15] Otro estudio inyectó el virus del herpes simple en el ojo, lo que permitió la visualización de la vía óptica desde la retina hasta el sistema visual . [16] Un ejemplo de un virus rastreador que se replica desde la sinapsis hasta el soma es el virus de la pseudorrabia . [17] Al usar virus de la pseudorrabia con diferentes reporteros fluorescentes, los modelos de infección dual pueden analizar la arquitectura sináptica compleja. [18]
Los métodos de transporte axonal utilizan una variedad de colorantes (variantes de la peroxidasa de rábano picante, marcadores fluorescentes o radiactivos, lectinas, dextranos) que son absorbidos con mayor o menor avidez por las neuronas o sus prolongaciones. Estas moléculas se transportan selectivamente de forma anterógrada (desde el soma hasta las terminales axónicas) o retrógrada (desde las terminales axónicas hasta el soma), lo que proporciona evidencia de conexiones primarias y colaterales en el cerebro. Estos métodos "fisiológicos" (porque se utilizan propiedades de células vivas no lesionadas) se pueden combinar con otros procedimientos y han reemplazado esencialmente a los procedimientos anteriores que estudiaban la degeneración de neuronas o axones lesionados. Las conexiones sinápticas detalladas se pueden determinar mediante microscopía electrónica correlativa.
La microscopía electrónica de cortes en serie se ha desarrollado ampliamente para su uso en el estudio de los sistemas nerviosos. Por ejemplo, la primera aplicación de la microscopía electrónica de barrido de caras de bloques en serie fue en el tejido cortical de roedores. [19] La reconstrucción de circuitos a partir de los datos producidos por este método de alto rendimiento es un desafío, y se ha desarrollado el juego de ciencia ciudadana EyeWire para ayudar a la investigación en esa área.
Es un campo que utiliza diversas modalidades de imágenes y técnicas computacionales para modelar y cuantificar la dinámica espaciotemporal de las estructuras neuroanatómicas en poblaciones normales y clínicas.
Aparte del cerebro humano , hay muchos otros animales cuyos cerebros y sistemas nerviosos han recibido un amplio estudio como sistemas modelo , incluidos ratones, peces cebra , [20] mosca de la fruta , [21] y una especie de gusano redondo llamado C. elegans . Cada uno de estos tiene sus propias ventajas y desventajas como sistema modelo. Por ejemplo, el sistema nervioso de C. elegans está extremadamente estereotipado de un gusano individual a otro. Esto ha permitido a los investigadores que usan microscopía electrónica mapear los caminos y conexiones de las 302 neuronas de esta especie. La mosca de la fruta es ampliamente estudiada en parte porque su genética es muy bien entendida y fácilmente manipulable. El ratón se utiliza porque, como mamífero, su cerebro es más similar en estructura al nuestro (por ejemplo, tiene una corteza de seis capas , pero sus genes se pueden modificar fácilmente y su ciclo reproductivo es relativamente rápido).
El cerebro es pequeño y simple en algunas especies, como el gusano nematodo , donde el plan corporal es bastante simple: un tubo con una cavidad intestinal hueca que va desde la boca hasta el ano, y un cordón nervioso con un ensanchamiento (un ganglio ) para cada segmento corporal, con un ganglio especialmente grande en la parte delantera, llamado cerebro. El nematodo Caenorhabditis elegans ha sido estudiado debido a su importancia en la genética. [22] A principios de la década de 1970, Sydney Brenner lo eligió como sistema modelo para estudiar la forma en que los genes controlan el desarrollo, incluido el desarrollo neuronal. Una ventaja de trabajar con este gusano es que el sistema nervioso del hermafrodita contiene exactamente 302 neuronas, siempre en los mismos lugares, haciendo conexiones sinápticas idénticas en cada gusano. [23] El equipo de Brenner cortó los gusanos en miles de secciones ultradelgadas y fotografió cada sección bajo un microscopio electrónico, luego emparejó visualmente las fibras de sección a sección, para mapear cada neurona y sinapsis en todo el cuerpo, para dar un conectoma completo del nematodo. [24] No hay nada que se acerque a este nivel de detalle disponible para ningún otro organismo, y la información se ha utilizado para permitir una multitud de estudios que no habrían sido posibles sin ella. [25]
La Drosophila melanogaster es un animal de experimentación popular porque se puede cultivar fácilmente en masa en la naturaleza, tiene un tiempo de generación corto y es fácil obtener animales mutantes.
Los artrópodos tienen un cerebro central con tres divisiones y grandes lóbulos ópticos detrás de cada ojo para el procesamiento visual. El cerebro de una mosca de la fruta contiene varios millones de sinapsis, en comparación con al menos 100 mil millones en el cerebro humano. Aproximadamente dos tercios del cerebro de Drosophila están dedicados al procesamiento visual .
Thomas Hunt Morgan comenzó a trabajar con Drosophila en 1906, y este trabajo le valió el Premio Nobel de Medicina en 1933 por identificar los cromosomas como el vector de herencia de los genes. Debido a la gran variedad de herramientas disponibles para estudiar la genética de Drosophila , han sido un tema natural para estudiar el papel de los genes en el sistema nervioso. [26] El genoma ha sido secuenciado y publicado en 2000. Alrededor del 75% de los genes de enfermedades humanas conocidos tienen una coincidencia reconocible en el genoma de las moscas de la fruta. Drosophila se está utilizando como modelo genético para varias enfermedades neurológicas humanas, incluyendo los trastornos neurodegenerativos Parkinson, Huntington, ataxia espinocerebelosa y enfermedad de Alzheimer. A pesar de la gran distancia evolutiva entre los insectos y los mamíferos, muchos aspectos básicos de la neurogenética de Drosophila han resultado ser relevantes para los humanos. Por ejemplo, los primeros genes del reloj biológico se identificaron al examinar mutantes de Drosophila que mostraban ciclos de actividad diaria interrumpidos. [27]
