El alcance de la neurociencia se ha ampliado con el tiempo para incluir diferentes enfoques utilizados para estudiar el sistema nervioso a diferentes escalas. Las técnicas utilizadas por los neurocientíficos se han ampliado enormemente, desde estudios moleculares y celulares de neuronas individuales hasta la obtención de imágenes de tareas sensoriales , motoras y cognitivas en el cerebro.
Los primeros estudios sobre el sistema nervioso datan del antiguo Egipto . La trepanación , la práctica quirúrgica de perforar o raspar un orificio en el cráneo con el fin de curar heridas en la cabeza o trastornos mentales , o aliviar la presión craneal, se registró por primera vez durante el período Neolítico . Los manuscritos que datan de 1700 a. C. indican que los egipcios tenían algún conocimiento sobre los síntomas del daño cerebral . [10]
Las primeras opiniones sobre la función del cerebro lo consideraban una especie de "relleno craneal". En Egipto , desde finales del Imperio Medio en adelante, el cerebro se extraía regularmente como preparación para la momificación . En esa época se creía que el corazón era la sede de la inteligencia. Según Heródoto , el primer paso de la momificación era "tomar un trozo de hierro torcido y con él extraer el cerebro por las fosas nasales, eliminando así una parte, mientras se limpiaba el resto del cráneo enjuagándolo con drogas". [11]
La idea de que el corazón era la fuente de la conciencia no fue cuestionada hasta la época del médico griego Hipócrates . Él creía que el cerebro no solo estaba involucrado con la sensación (ya que la mayoría de los órganos especializados (por ejemplo, ojos, oídos, lengua) están ubicados en la cabeza cerca del cerebro), sino que también era la sede de la inteligencia. [12] Platón también especuló que el cerebro era la sede de la parte racional del alma. [13] Aristóteles , sin embargo, creía que el corazón era el centro de la inteligencia y que el cerebro regulaba la cantidad de calor del corazón. [14] Esta visión fue generalmente aceptada hasta que el médico romano Galeno , un seguidor de Hipócrates y médico de los gladiadores romanos , observó que sus pacientes perdían sus facultades mentales cuando habían sufrido daños en sus cerebros. [15]
En paralelo a esta investigación, en 1815 Jean Pierre Flourens indujo lesiones localizadas del cerebro en animales vivos para observar sus efectos sobre la motricidad, la sensibilidad y el comportamiento. El trabajo con pacientes con daño cerebral de Marc Dax en 1836 y Paul Broca en 1865 sugirió que ciertas regiones del cerebro eran responsables de ciertas funciones. En ese momento, estos hallazgos fueron vistos como una confirmación de la teoría de Franz Joseph Gall de que el lenguaje estaba localizado y que ciertas funciones psicológicas estaban localizadas en áreas específicas de la corteza cerebral . [21] [22] La hipótesis de la localización de la función fue apoyada por observaciones de pacientes epilépticos realizadas por John Hughlings Jackson , quien infirió correctamente la organización de la corteza motora al observar la progresión de las convulsiones a través del cuerpo. Carl Wernicke desarrolló aún más la teoría de la especialización de estructuras cerebrales específicas en la comprensión y producción del lenguaje. Las investigaciones modernas a través de técnicas de neuroimagen , aún utilizan el mapa citoarquitectónico cerebral de Brodmann (referido al estudio de la estructura celular ) y las definiciones anatómicas de esta época para seguir demostrando que distintas áreas de la corteza se activan en la ejecución de tareas específicas. [23]
Durante el siglo XX, la neurociencia comenzó a ser reconocida como una disciplina académica distinta por derecho propio, en lugar de como estudios del sistema nervioso dentro de otras disciplinas. Eric Kandel y colaboradores han citado a David Rioch , Francis O. Schmitt y Stephen Kuffler por haber jugado papeles críticos en el establecimiento del campo. [24] Rioch originó la integración de la investigación anatómica y fisiológica básica con la psiquiatría clínica en el Instituto de Investigación del Ejército Walter Reed , a partir de la década de 1950. Durante el mismo período, Schmitt estableció un programa de investigación en neurociencia dentro del Departamento de Biología del Instituto Tecnológico de Massachusetts , que unía biología, química, física y matemáticas. El primer departamento de neurociencia independiente (entonces llamado Psicobiología) fue fundado en 1964 en la Universidad de California, Irvine por James L. McGaugh . [25] A esto le siguió el Departamento de Neurobiología de la Facultad de Medicina de Harvard , que fue fundado en 1966 por Stephen Kuffler. [26]
En el proceso de tratamiento de la epilepsia , Wilder Penfield produjo mapas de la ubicación de varias funciones (motoras, sensoriales, memoria, visión) en el cerebro. [27] [28] Resumió sus hallazgos en un libro de 1950 llamado The Cerebral Cortex of Man . [29] Wilder Penfield y sus co-investigadores Edwin Boldrey y Theodore Rasmussen son considerados los creadores del homúnculo cortical . [30]
La comprensión de las neuronas y del funcionamiento del sistema nervioso se hizo cada vez más precisa y molecular durante el siglo XX. Por ejemplo, en 1952, Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Huxley presentaron un modelo matemático para la transmisión de señales eléctricas en las neuronas del axón gigante de un calamar, a las que llamaron « potenciales de acción », y cómo se inician y propagan, conocido como el modelo de Hodgkin-Huxley . En 1961-1962, Richard FitzHugh y J. Nagumo simplificaron el modelo de Hodgkin-Huxley, en lo que se denomina el modelo de FitzHugh-Nagumo . En 1962, Bernard Katz modeló la neurotransmisión a través del espacio entre neuronas conocido como sinapsis . A partir de 1966, Eric Kandel y sus colaboradores examinaron los cambios bioquímicos en las neuronas asociados con el aprendizaje y el almacenamiento de la memoria en Aplysia . En 1981, Catherine Morris y Harold Lecar combinaron estos modelos en el modelo Morris-Lecar . Este trabajo cada vez más cuantitativo dio lugar a numerosos modelos de neuronas biológicas y modelos de computación neuronal .
Con el tiempo, la investigación sobre el cerebro ha pasado por fases filosóficas, experimentales y teóricas, y se prevé que el trabajo sobre implantes neuronales y simulación cerebral será importante en el futuro. [39]
Neurociencia moderna
Sistema nervioso humano
El estudio científico del sistema nervioso aumentó significativamente durante la segunda mitad del siglo XX, debido principalmente a los avances en biología molecular , electrofisiología y neurociencia computacional . Esto ha permitido a los neurocientíficos estudiar el sistema nervioso en todos sus aspectos: cómo está estructurado, cómo funciona, cómo se desarrolla, cómo funciona mal y cómo se puede modificar.
El sistema nervioso de los vertebrados se puede dividir en dos partes: el sistema nervioso central (definido como el cerebro y la médula espinal ) y el sistema nervioso periférico . En muchas especies, incluidos todos los vertebrados, el sistema nervioso es el sistema orgánico más complejo del cuerpo, y la mayor parte de la complejidad reside en el cerebro. Solo el cerebro humano contiene alrededor de cien mil millones de neuronas y cien billones de sinapsis; consta de miles de subestructuras distinguibles, conectadas entre sí en redes sinápticas cuyas complejidades apenas han comenzado a desentrañar. Al menos uno de cada tres de los aproximadamente 20.000 genes que pertenecen al genoma humano se expresa principalmente en el cerebro. [40]
Debido al alto grado de plasticidad del cerebro humano, la estructura de sus sinapsis y las funciones resultantes cambian a lo largo de la vida. [41]
Dar sentido a la complejidad dinámica del sistema nervioso es un reto de investigación formidable. En última instancia, los neurocientíficos querrían comprender todos los aspectos del sistema nervioso, incluyendo cómo funciona, cómo se desarrolla, cómo funciona mal y cómo se puede alterar o reparar. Por lo tanto, el análisis del sistema nervioso se realiza en múltiples niveles, que van desde los niveles molecular y celular hasta los niveles sistémicos y cognitivos. Los temas específicos que forman el foco principal de la investigación cambian con el tiempo, impulsados por una base de conocimiento en constante expansión y la disponibilidad de métodos técnicos cada vez más sofisticados. Las mejoras en la tecnología han sido los principales impulsores del progreso. Los avances en microscopía electrónica , informática , electrónica , neuroimagen funcional y genética y genómica han sido todos ellos importantes impulsores del progreso.
Los avances en la clasificación de las células cerebrales han sido posibles gracias al registro electrofisiológico, la secuenciación genética de células individuales y la microscopía de alta calidad, que se han combinado en un único método llamado secuenciación de parches en el que los tres métodos se aplican simultáneamente utilizando herramientas en miniatura. [42] La eficiencia de este método y las grandes cantidades de datos que se generan han permitido a los investigadores sacar algunas conclusiones generales sobre los tipos de células; por ejemplo, que el cerebro humano y el del ratón tienen diferentes versiones de fundamentalmente los mismos tipos de células. [43]
Neurociencia molecular y celular
Fotografía de una neurona teñida en un embrión de pollo.
Las preguntas que se abordan en la neurociencia celular incluyen los mecanismos de cómo las neuronas procesan las señales fisiológicamente y electroquímicamente. Estas preguntas incluyen cómo las neuritas y los somas procesan las señales y cómo se utilizan los neurotransmisores y las señales eléctricas para procesar la información en una neurona. Las neuritas son extensiones delgadas de un cuerpo celular neuronal , que consisten en dendritas (especializadas para recibir entradas sinápticas de otras neuronas) y axones (especializados para conducir impulsos nerviosos llamados potenciales de acción ). Los somas son los cuerpos celulares de las neuronas y contienen el núcleo. [46]
El modelado neurogenético computacional se ocupa del desarrollo de modelos neuronales dinámicos para modelar las funciones cerebrales con respecto a los genes y las interacciones dinámicas entre genes, a nivel celular (el modelado neurogenético computacional (CNGM) también se puede utilizar para modelar sistemas neuronales). [51]
Circuitos y sistemas neuronales
Organización propuesta de circuitos neuronales semánticos-motores para la comprensión del lenguaje de acción. Adaptado de Shebani et al. (2013).
La investigación en neurociencia de sistemas se centra en la arquitectura estructural y funcional del cerebro humano en desarrollo y en las funciones de las redes cerebrales a gran escala o sistemas conectados funcionalmente dentro del cerebro. Junto con el desarrollo cerebral, la neurociencia de sistemas también se centra en cómo la estructura y la función del cerebro permiten o restringen el procesamiento de la información sensorial, utilizando modelos mentales aprendidos del mundo, para motivar el comportamiento.
Las preguntas en neurociencia de sistemas incluyen cómo se forman los circuitos neuronales y cómo se utilizan anatómica y fisiológicamente para producir funciones como los reflejos , la integración multisensorial , la coordinación motora , los ritmos circadianos , las respuestas emocionales , el aprendizaje y la memoria . [52] En otras palabras, esta área de investigación estudia cómo se crean y transforman las conexiones en el cerebro, y el efecto que esto tiene sobre la sensación humana, el movimiento, la atención, el control inhibitorio, la toma de decisiones, el razonamiento, la formación de la memoria, la recompensa y la regulación de las emociones. [53]
Las áreas específicas de interés para este campo incluyen observaciones de cómo la estructura de los circuitos neuronales afecta la adquisición de habilidades, cómo las regiones especializadas del cerebro se desarrollan y cambian ( neuroplasticidad ) y el desarrollo de atlas cerebrales o diagramas de cableado de cerebros individuales en desarrollo. [54]
Los campos relacionados de la neuroetología y la neuropsicología abordan la cuestión de cómo los sustratos neuronales subyacen a comportamientos animales y humanos específicos . [55] La neuroendocrinología y la psiconeuroinmunología examinan las interacciones entre el sistema nervioso y los sistemas endocrino e inmunológico , respectivamente. [56] A pesar de los muchos avances, la forma en que las redes de neuronas realizan procesos y comportamientos cognitivos complejos aún se comprende poco. [57]
Neurociencia cognitiva y conductual
La neurociencia cognitiva aborda las cuestiones de cómo las funciones psicológicas son producidas por los circuitos neuronales . La aparición de nuevas y poderosas técnicas de medición como la neuroimagen (por ejemplo, fMRI , PET , SPECT ), EEG , MEG , electrofisiología , optogenética y análisis genético humano combinados con sofisticadas técnicas experimentales de la psicología cognitiva permite a los neurocientíficos y psicólogos abordar cuestiones abstractas como cómo la cognición y la emoción se asignan a sustratos neuronales específicos. Aunque muchos estudios mantienen una postura reduccionista que busca la base neurobiológica de los fenómenos cognitivos, investigaciones recientes muestran que existe una interacción entre los hallazgos neurocientíficos y la investigación conceptual, solicitando e integrando ambas perspectivas. Por ejemplo, la investigación neurocientífica sobre la empatía solicitó un debate interdisciplinario que involucró filosofía, psicología y psicopatología. [58] Además, la identificación neurocientífica de múltiples sistemas de memoria relacionados con diferentes áreas del cerebro ha desafiado la idea de la memoria como una reproducción literal del pasado, apoyando una visión de la memoria como un proceso generativo, constructivo y dinámico. [59]
Las preguntas en neurociencia computacional pueden abarcar una amplia gama de niveles de análisis tradicionales, como el desarrollo , la estructura y las funciones cognitivas del cerebro. La investigación en este campo utiliza modelos matemáticos , análisis teóricos y simulación por computadora para describir y verificar neuronas y sistemas nerviosos biológicamente plausibles. Por ejemplo, los modelos neuronales biológicos son descripciones matemáticas de neuronas activas que se pueden usar para describir tanto el comportamiento de neuronas individuales como la dinámica de redes neuronales . La neurociencia computacional a menudo se conoce como neurociencia teórica.
La neurología estudia las enfermedades del sistema nervioso central y periférico, como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y el accidente cerebrovascular , y su tratamiento médico. La psiquiatría se centra en los trastornos afectivos , conductuales, cognitivos y perceptivos . La anestesiología se centra en la percepción del dolor y la alteración farmacológica de la conciencia. La neuropatología se centra en la clasificación y los mecanismos patogénicos subyacentes de las enfermedades del sistema nervioso central y periférico y de los músculos, con énfasis en las alteraciones morfológicas, microscópicas y químicamente observables. La neurocirugía y la psicocirugía trabajan principalmente con el tratamiento quirúrgico de las enfermedades del sistema nervioso central y periférico. [62]
Recientemente, las fronteras entre las distintas especialidades se han difuminado, ya que todas están influidas por la investigación básica en neurociencia. Por ejemplo, las imágenes cerebrales permiten obtener información biológica objetiva sobre las enfermedades mentales, lo que puede conducir a un diagnóstico más rápido, un pronóstico más preciso y un mejor seguimiento de la evolución del paciente a lo largo del tiempo. [63]
La neurociencia integradora describe el esfuerzo por combinar modelos e información de múltiples niveles de investigación para desarrollar un modelo coherente del sistema nervioso. Por ejemplo, la imagenología cerebral combinada con modelos numéricos fisiológicos y teorías de mecanismos fundamentales puede arrojar luz sobre los trastornos psiquiátricos. [64]
Otro campo importante de la investigación traslacional son las interfaces cerebro-ordenador (BCIs), o máquinas capaces de comunicarse e influir en el cerebro. Actualmente se están investigando por su potencial para reparar sistemas neuronales y restablecer ciertas funciones cognitivas. [65] Sin embargo, antes de aceptarlas, es necesario abordar algunas consideraciones éticas. [66] [67]
Ramas principales
Las actividades de investigación y enseñanza de la neurociencia moderna pueden clasificarse, a grandes rasgos, en las siguientes ramas principales, en función del tema y la escala del sistema en estudio, así como de los distintos enfoques experimentales o curriculares. Sin embargo, los neurocientíficos individuales suelen trabajar en cuestiones que abarcan varios subcampos distintos.
Carreras en neurociencia[94]
Nivel de Licenciatura
Nivel de maestría
Grado Avanzado
Organizaciones de neurociencia
La mayor organización profesional de neurociencia es la Society for Neuroscience (SFN), que tiene su sede en Estados Unidos pero cuenta con muchos miembros de otros países. Desde su fundación en 1969, la SFN ha crecido de forma constante: en 2010 contaba con 40.290 miembros de 83 países. [95] Las reuniones anuales, que se celebran cada año en una ciudad estadounidense diferente, atraen a investigadores, becarios posdoctorales, estudiantes de posgrado y de grado, así como a instituciones educativas, agencias de financiación, editoriales y cientos de empresas que suministran productos utilizados en la investigación.
Otras organizaciones importantes dedicadas a la neurociencia incluyen la Organización Internacional de Investigación Cerebral (IBRO), que celebra sus reuniones en un país de una parte diferente del mundo cada año, y la Federación de Sociedades Europeas de Neurociencia (FENS), que celebra una reunión en una ciudad europea diferente cada dos años. FENS comprende un conjunto de 32 organizaciones a nivel nacional, incluyendo la Asociación Británica de Neurociencia , la Sociedad Alemana de Neurociencia ( Neurowissenschaftliche Gesellschaft ) y la Société des Neurosciences francesa . [96] La primera Sociedad Nacional de Honor en Neurociencia, Nu Rho Psi , fue fundada en 2006. También existen numerosas sociedades de neurociencia juvenil que apoyan a estudiantes de pregrado, posgrado e investigadores en el inicio de su carrera, como Simply Neuroscience [97] y Project Encephalon. [98]
Además de realizar investigaciones tradicionales en entornos de laboratorio, los neurocientíficos también han participado en la promoción de la conciencia y el conocimiento sobre el sistema nervioso entre el público en general y los funcionarios gubernamentales. Dichas promociones han sido realizadas tanto por neurocientíficos individuales como por grandes organizaciones. Por ejemplo, los neurocientíficos individuales han promovido la educación en neurociencia entre los estudiantes jóvenes organizando el International Brain Bee , que es una competencia académica para estudiantes de secundaria o preparatoria de todo el mundo. [106] En los Estados Unidos, grandes organizaciones como la Society for Neuroscience han promovido la educación en neurociencia desarrollando un manual llamado Brain Facts, [107] colaborando con maestros de escuelas públicas para desarrollar Neuroscience Core Concepts para maestros y estudiantes de K-12, [108] y copatrocinando una campaña con la Fundación Dana llamada Brain Awareness Week para aumentar la conciencia pública sobre el progreso y los beneficios de la investigación del cerebro. [109] En Canadá, el Canadian National Brain Bee de los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (CIHR) se lleva a cabo anualmente en la Universidad McMaster . [110]
En 1992, los educadores en neurociencia formaron la Facultad de Neurociencia de Pregrado (FUN, por sus siglas en inglés) para compartir las mejores prácticas y brindar premios de viaje a los estudiantes de pregrado que se presentaran en las reuniones de la Sociedad de Neurociencia. [111]
Los neurocientíficos también han colaborado con otros expertos en educación para estudiar y refinar las técnicas educativas para optimizar el aprendizaje entre los estudiantes, un campo emergente llamado neurociencia educativa . [112] Las agencias federales en los Estados Unidos, como el Instituto Nacional de Salud (NIH) [113] y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), [114] también han financiado investigaciones relacionadas con las mejores prácticas en la enseñanza y el aprendizaje de conceptos de neurociencia.
Aplicaciones de la neurociencia en la ingeniería
Chips informáticos neuromórficos
La ingeniería neuromórfica es una rama de la neurociencia que se ocupa de la creación de modelos físicos funcionales de neuronas con fines de computación útil. Las propiedades computacionales emergentes de las computadoras neuromórficas son fundamentalmente diferentes de las de las computadoras convencionales en el sentido de que son sistemas complejos y que los componentes computacionales están interrelacionados sin un procesador central. [115]
Un ejemplo de este tipo de ordenador es la supercomputadora SpiNNaker . [116]
Los recientes avances en la tecnología de microchips neuromórficos han llevado a un grupo de científicos a crear una neurona artificial que puede reemplazar a las neuronas reales en las enfermedades. [118] [119]
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Enlaces externos
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Wikilibros tiene un libro sobre el tema: Neurociencia
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Neurociencia en línea (libro de texto electrónico sobre neurociencia)
Serie de conferencias sobre neurociencia del HHMI: Creando tu mente: moléculas, movimiento y memoria Archivado el 24 de junio de 2013 en Wayback Machine
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