En qué se diferencia el cerebro humano: tiene mucho que ver con las conexiones

¿Qué hace que el cerebro humano sea diferente? No es una pregunta fácil de responder, y se mantendrá entre las generaciones futuras de neurocientíficos. Pero ya se podrían reunir algunas respuestas tentativas. Este órgano es definitivamente más grande de lo esperado para nuestro tamaño. Tiene sus propias áreas de especialización, una dedicada a los idiomas. Los últimos años, Los escáneres cerebrales han comenzado a mostrar que la forma particular en que las neuronas se conectan entre sí es parte de la historia.

Una herramienta clave en estos estudios es la resonancia magnética nuclear (RMN), especialmente una versión llamada imagen de tensor de difusión. Esta técnica puede visualizar fibras largas que se extienden desde las neuronas y conectan regiones del cerebro sin quitar una parte del cráneo. Al igual que los cables, estas conexiones transportan información eléctrica entre las neuronas. La colección de todos estos enlaces, también conocida como conectoma, puede proporcionar pistas sobre cómo el cerebro procesa la información.

Una pregunta de larga data sobre el conectoma es cómo, en todo caso, los patrones de cableado únicos se relacionan con las aparentes diferencias cognitivas en ratones, monos o humanos. Un nuevo enfoque llamado conectómica comparativa ha identificado algunas reglas generales para el cableado cerebral entre especies que pueden ayudar a proporcionar respuestas. Al mismo tiempo, ha descubierto algunos aspectos únicos del conectoma humano y ha descubierto cambios en las células responsables de mantener el cableado cerebral. Estas innovaciones evolutivas parecen permitir que la información fluya de manera eficiente a través de un enorme cerebro humano. Cuando se interrumpen, pueden desencadenar enfermedades mentales.

Hipotéticamente, los conectomas más eficientes seguirían un diseño de uno a muchos, con cada célula nerviosa conectada a todas las demás células nerviosas. Pero este enfoque es altamente inviable porque requiere mucho espacio para mantener todas esas conexiones y energía para mantenerlas funcionales. Alternativamente, un diseño uno a uno, en el que cada neurona está conectada solo con otra neurona, sería menos desafiante, pero también menos eficiente: la información tendría que viajar a través de una gran cantidad de neuronas como un trampolín para obtenerla. punto A punto B.

«La realidad está en el medio», dijo Yaniv Assaf de la Universidad de Tel Aviv, quien publicó una encuesta de 123 conectomas de especies de mamíferos en Nature Neuroscience en junio. Assaf comenzó su investigación de una manera un tanto indirecta: desde un pasatiempo de fin de semana de obtener imágenes de cerebros de murciélagos con su colega Yossi Yovel en Tel Aviv, hasta un estudio de siete años de la mayor cantidad posible de mamíferos post mortem Exploración del cerebro. Colegio Veterinario cercano. Los investigadores han estudiado una variedad de órganos, desde los cerebros de murciélagos más pequeños (que deben examinarse con una lupa), hasta los pesos pesados ​​humanos. Entre estos ejemplos están los cerebros de jirafas, tejones de miel y vacas. En todos estos órganos, el equipo encontró el mismo patrón de conectividad: la cantidad de peldaños de un lugar a otro era aproximadamente la misma en cada órgano. Diferentes cerebros usan diseños de cableado similares.

Sin embargo, hay algunas diferencias en cómo se implementa este arreglo. Las especies con pocas conexiones de largo alcance que conectan los dos hemisferios del cerebro tienden a tener conexiones más cortas dentro de cada hemisferio, donde las regiones cercanas «hablan» entre sí con frecuencia. Las especies con conexiones más distantes, como los humanos y otros primates, debilitan estas redes locales.

Este método de conexión probablemente refleja las limitaciones geométricas de empaquetar el sistema nervioso en el cráneo. Pero los cambios en estos vínculos dentro de una especie también pueden variar con diferentes habilidades. “Si tiene conexiones más densas en un área, es posible que tenga una cierta capacidad que otros no tienen”, dijo Assaf.

Aunque los cerebros humanos siguen un plan de juego de conexión de mamíferos, también muestran algunas innovaciones sorprendentes. En una comparación directa del conectoma humano con nuestro pariente más cercano, el chimpancé, publicada el año pasado, Martijn van den Heuvel de la Vrije Universiteit Amsterdam y el antropólogo James Rilling de la Universidad de Emory revelaron 33 conexiones específicas de humanos. Estos enlaces únicos son más largos que los 255 enlaces compartidos por las dos especies y son más importantes para la eficiencia de la red. Las conexiones a distancia también vinculan regiones «asociativas» de alto nivel de la corteza involucradas en el lenguaje, el uso de herramientas y la imitación.

«El cerebro humano tiende a invertir más en mantener conectadas estas regiones asociativas», dijo Van den Heuvel. Esta configuración integra efectivamente la información de diferentes partes del cerebro, especialmente las responsables del procesamiento conceptual. «Creo que esta inversión nos trae funciones cerebrales más complejas», agregó.

Cuando van den Heuvel y sus colegas observaron el lugar, apareció una «huella digital de conexión». Los chimpancés tienen sus propias versiones limitadas de las áreas de Broca y Wernicke, que son responsables de la producción y comprensión del lenguaje humano, respectivamente. Pero en los humanos, el vínculo entre los dos es más fuerte. Y el área de Broca en realidad tiene conexiones más débiles con otras áreas del cerebro. Era como si las dos regiones se hubieran dedicado mutuamente su poder de procesamiento y sentado las bases para el idioma.

Sin embargo, las conexiones específicas de los humanos pueden ser un talón de Aquiles humano. En un estudio publicado en noviembre pasado, van den Heuvel, Rilling y sus colegas encontraron que las conexiones específicas de los humanos están más interrumpidas en la esquizofrenia. «Esto plantea la posibilidad de que la evolución de estas nuevas conexiones humanas tenga un costo», dijo Rilling.

Si bien estos estudios demuestran la importancia evolutiva de la conectividad cerebral, los métodos de imagen no están exentos de errores. Tienen una resolución limitada, por lo que pueden perderse extremos o giros de conexión. El problema significa que el campo necesita basarse en evidencia de otros campos para respaldar sus hallazgos, dijo Christine Charvet, profesora asistente en la Universidad Estatal de Delaware que estudia la evolución del cerebro humano pero no participó en los artículos.

La genómica puede llenar algunos vacíos. Un estudio publicado en enero se centró en segmentos de ADN llamados potenciadores que controlan si los genes se activan o desactivan. Menno Creyghton del Centro Médico de la Universidad Erasmus en los Países Bajos y sus colegas encontraron que algunos potenciadores en humanos y chimpancés difieren significativamente de aquellos en macacos y titíes más distantes. Esta remodelación del genoma ocurre en células llamadas oligodendrocitos, que están conectadas por una vaina de proteína aislante. Si lo hace, se asegura de que la señal eléctrica llegue a su destino rápidamente.

Creyghton cree que estas células están tratando de ponerse al día con la expansión del cerebro. «Estos oligodendrocitos necesitan rediseñarse para facilitar este cerebro más grande», dijo. «Así que tienes un cambio asombroso que te permite tener un cerebro más grande. Entonces necesitas muchas adaptaciones en el cerebro para lidiar con eso».