EL CEREBRO, como todo en el organismo animal, está formado por células, pero las del cerebro son excepcionales por su impresionante diversidad, por la complejidd de sus formas, por la intrincadísima red que comunica a unas células con otras. Algunas son modestamente estrelladas, otras recuerdan, por su forma, a los animales marinos, calamares y medusas, otras tienen bifurcaciones complejas, y otras más, en fin, exhiben increíbles penachos con ramificaciones que se extienden en áreas muchas veces mayores que el cuerpo de la célula (figura I.l). Las células del cerebro se llaman neuronas.1 La estructura y la comunicación de las neuronas, en los albores de este siglo, fueron descritas magistralmente por el sabio español Santiago Ramón y Cajal —un gigante de la ciencia— quien encontró en el minucioso escudriñar de las laminillas bajo el microscopio una característica fundamental de la comunicación entre las células nerviosas: casi nunca se tocan, están separadas por pequeñísimos espacios, cuyo significado y enorme importancia vendría a conocerse mucho tiempo después. A pesar de las diferencias en la forma de las neuronas, su estructura en los sitios en los que se comunican unas con otras es muy similar. La parte de la neurona que "habla" con otra neurona tiene siempre una estructura típica, y la región de la neurona que recibe ese contacto también tiene una forma característica. A esta zona de interacción de las neuronas se le llama sinapsis (del griego sunayiV = unión, enlace), y su funcionamiento es esencial para explicar prácticamente todas las acciones del cerebro, desde las más sencillas como ordenar a los músculos que se contraigan y se relajen en forma coordinada para llevar a cabo un simple movimiento, hasta las más complicadas tareas intelectuales, pasando también por las funciones que originan, controlan y modulan las emociones.
Figura I.1 Variedad de formas de las neuronas.
A través de esta comunicación las neuronas forman redes complicadísimas, que por supuesto estamos muy lejos de conocer por completo. Sabemos que algunos de estos circuitos están relacionados con el movimiento, otros con el sueño, y otros más con las emociones y la conducta. La identificación de estos circuitos puede lograrse con distintos métodos, pero uno relativamente simple consiste en estimular una neurona o un grupo de neuronas y luego tomar un registro en las neuronas que sospechamos se comunican con las primeras. Tanto la estimulación como el registro se llevan a cabo mediante los electrodos, los cuales son pequeñísimos tubos de vidrio que contienen soluciones que permiten el paso de la corriente eléctrica. A través del electrodo se hace pasar una corriente eléctrica muy pequeña, y si la neurona estimulada está en conexión con la que se está registrando, se advertirá una señal eléctrica. De esta forma pueden rastrearse los contactos funcionales entre las células nerviosas.
Los primeros circuitos funcionales identificados fueron los más sencillos, como aquellos que, partiendo de la corteza cerebral, terminan en distintos músculos del cuerpo. El procedimiento para su localización también fue muy rudimentario. Las observaciones pioneras en este campo se hicieron durante la guerra entre Prusia y Dinamarca, alrededor de 1864, cuando el médico alemán Theodor Fritsch se dio cuenta que al tocar algunas áreas descubiertas del cerebro de algunos heridos se producían movimientos musculares siempre en el mismo lugar. Terminada la guerra, al volver a la práctica médica en Berlín, él y un colega suyo, Eduardo Hitzig, comenzaron a diseñar experimentos para demostrar esta posibilidad. Como no contaban con instalaciones ni laboratorios equipados de ninguna naturaleza, hicieron sus experimentos en la casa del doctor Hitzig, utilizando perros a los cuales anestesiaban y estudiaban sobre la mesa de costura de la señora Hitzig, quien ciertamente debió ser una mujer muy tolerante.
Estos experimentos demostraron la localización de las funciones motoras en la corteza del cerebro y la existencia de conexiones neuronales desde ésa hasta los músculos. Otros investigadores prosiguieron esta tarea con más detalle y, suponemos, con mejores condiciones para realizar su trabajo. Fue así como se pudo identificar, primero en perros, luego en primates y finalmente en el hombre, cuáles son las áreas de la corteza cerebral que se conectan con los distintos músculos del cuerpo, de la cara y de las extremidades. Lo mismo se hizo para la percepción sensorial. Se observó en estos experimentos que el movimiento y la sensibilidad de algunas regiones del cuerpo requieren un mayor número de neuronas en la corteza, por ejemplo, las manos y la lengua. Se elaboró así el famoso mapa del "homúnculo" (hombrecito), reproducido en la figura I.2.
Figura I.2. Mapa del homúnculo (hombrecito). Área en la que se ubican las neuronas en la corteza sensorial y en la corteza motora que tienen bajo su control las distintas regiones del cuerpo, la cabeza y las extremidades.
Con estas bases, otros investigadores emprendieron la tarea de hacer un "mapa" de otras funciones localizadas principalmente en la corteza, y de esta forma se pudo determinar que existen áreas visuales (corteza visual), auditivas (corteza temporal) o para la percepción táctil (figura I.3). Con técnicas más elaboradas se localizaron también áreas de la corteza relacionadas con funciones más complejas, como la actividad intelectual, y también con la conducta. Estas últimas, sin embargo, están localizadas sólo parcialmente en la corteza cerebral y se encuentran más bien en otras estructuras del cerebro situadas debajo de la corteza. En particular, el conjunto de estructuras que se conocen como sistema límbico (punteado en la figura I.4A) tienen gran importancia en el origen y el control de las emociones. Dentro de este gran circuito, una pequeña región, el hipotálamo (figura I.4A), está asociada a muchas conductas emocionales y a funciones como el hambre y la sed. En efecto, en experimentos hechos con ratas, se ha podido observar que destruyendo algunos núcleos del hipotálamo (figura I.4B) —los núcleos son grupos de neuronas— el animal deja de comer y puede incluso morir de hambre literalmente en medio de la más apetitosa comida. Con estos estudios y otros similares se concluyó que a través de este núcleo es que se siente la necesidad de comer. Al ser destruidas las células de este núcleo, el animal tiene la continua sensación de estar lleno, y por tanto es incapaz de comer. A esta región del hipotálamo se le conoce como el centro de la saciedad. (Estos experimentos nos indican que las ratas no conocen el pecado de la gula, tan frecuente en la especie humana, ya que a diferencia de muchos de nosotros, el animal al sentirse saciado deja de comer.) En una región cercana a este núcleo de la saciedad se encuentra su opuesto, es decir un grupo de neuronas que, al ser destruidas, hacen que el animal pierda la capacidad de sentirse saciado y siga comiendo, sin cesar, hasta que no puede prácticamente moverse por la cantidad de alimento que ha ingerido. Por supuesto, estos núcleos del hipotálamo responden a señales, como el nivel de glucosa en la sangre que lo induce a alimentarse y que se encuentran bajo otras influencias nerviosas, principalmente de la corteza, incluidas las del origen del pensamiento y la imaginación. Así, sobre todo en el humano, el impulso de comer se puede modificar ante la vista o aun ante la simple evocación de alimentos apetitosos.
Figura I.3. Áreas en la corteza cerebral donde se localizan las neuronas relacionadas con distintas funciones.
Figura I.4. A) localización del hipotálamo en el cerebro. El hipotálamo forma parte de un conjunto de estructuras cerebrales conocidas como sistema límbico (punteado) que participan de manera importante en la modulación de las emociones. B) en el hipotálamo se encuentra una serie de núcleos (grupos de neuronas) que tienen a su cargo funciones relacionadas con la generación, supresión y regulación.
También en el hipotálamo y en otras áreas del sistema límbico se localizan núcleos celulares que al ser estimulados provocan respuestas de cólera y agresividad en los animales, sin el concurso de los agentes externos que normalmente los causan, por ejemplo, la presencia de un ratón en el caso del gato. Estos núcleos del hipotálamo están modulados por influencias de la corteza y de otros centros que son los que determinan la amplitud y el vigor de la respuesta hipotalámica. En esta misma estructura nerviosa se localizan núcleos cuya función es más compleja que la del simple alimentarse, atacar o reproducirse. Esta posibilidad se derivó de las observaciones llevadas a cabo por James Olds y sus estudiantes en la Universidad McGill, en Canadá, en los años cincuenta. Estos investigadores se hallaban interesados en el estudio del sueño y la vigilia, y el diseño experimental para su investigación incluía la estimulación por medio de un pequeño electrodo en otra región del mismo hipotálamo y que el animal debía autoadministrarse pisando una palanca si quería recibir alimento como recompensa (figura I.5). Por error, en una ocasión el electrodo de estimulación fue implantado un poco más abajo de la zona deseada y, para sorpresa de los investigadores, al cabo del primer autoestímulo en esta región con el recurso de pisar la palanquita, la rata ya no tenía mayor interés en la recompensa o en explorar los espacios, sino que volvía una y otra vez a oprimir la palanca, y con ello a aplicarse el estímulo en el lugar del hipotálamo en el que se encontraba el electrodo. Evidentemente, los fisiólogos se percataron de inmediato de la importancia de su descubrimiento, y olvidando su proyecto anterior acerca del sueño se dedicaron a afinar y desarrollar una investigación acerca de este fenómeno asociado a lo que denominaron el núcleo del placer.
Figura I.5. Dispositivo experimental en el cual la rata puede autoadministrarse estímulos eléctricos o sustancias químicas apretando la palanca.
No parece ilógico extrapolar al ser humano estas observaciones hechas en el gato o la rata. Los científicos saben que las diferencias entre la especie humana y los otros animales no son tan grandes, en lo que se refiere a su comportamiento biológico, y que la enorme diferencia que evidentemente existe entre el gato y un ciudadano común, por no hablar de las mentes privilegiadas como Kant o Einstein, radica no en una diferencia en los principios generales con los que opera el sistema nervioso, que son exactamente los mismos, sino en la extrema complejidad de las conexiones interneuronales y tal vez en otros elementos que aún desconocemos. No hay que olvidar que el problema mente-cerebro, es decir, el de la localización celular de las funciones mentales superiores, no se ha resuelto, y es uno de los grandes retos de la neurobiología moderna.
Sin embargo, es posible imaginar, a la luz de estos sencillos experimentos, que la diferencia entre un individuo colérico y otro apacible puede ser que en el primero estos centros de la agresividad en el hipotálamo estén menos controlados por acciones inhibidoras de otras neuronas, o más activados por una preeminencia de neuronas excitadoras. El mismo razonamiento podría aplicarse a los centros hipotalámicos del hambre y la saciedad e imaginar que esa afición por la comida, que tenemos muchos de nosotros y que por supuesto y desafortunadamente se refleja en las redondeces de la figura, tenga una explicación, en parte, en el tipo de control que la corteza u otras estructuras ejercen sobre los núcleos del hipotálamo. No es tan descabellado suponer que la afirmación popular acerca del buen carácter de los gorditos tenga una base neurofisiológica a nivel del control de los núcleos del hipotálamo, relacionados con la regulación del apetito y con las distintas fases de la conducta agresiva.
La extrapolación podría parecer bastante simplista, pero no deja de tener su contraparte experimental cuando sabemos que la administración de ciertas drogas, como las anfetaminas, que precisamente actúan aumentando la eficiencia de algunas conexiones neuronales del tipo de las que se encuentran en el hipotálamo, da como resultado una pérdida casi total del apetito, además de modificar espectacularmente muchos rasgos del carácter del individuo, como veremos en otros capítulos. El esquema de que lo que consideramos una actitud emocional tiene su asiento en el sistema nervioso, va cobrando así cierta lógica.
LA CONVERSACIÓN ENTRE LAS NEURONAS
Si consideramos que la riqueza y la complejidad del pensamiento y del comportamiento humanos son, en buena medida, un reflejo de la comunicación que existe entre sus neuronas, se justifica que brevemente dediquemos nuestra atención a este tema.
Las neuronas tienen dos tipos de prolongaciones. Unas generalmente ramificadas, que confieren a estas células su aspecto estrellado o arborizado característico, y otras más largas y más sencillas, los axones, que son aquellas a través de las cuales las neuronas se comunican entre sí (figura I.6). La parte final del axón, que establece la comunicación con la neurona adyacente, se llama terminal sináptica o presinapsis, y se identifica en un gran número de sinapsis por la presencia muy característica de estructuras esféricas: las vesículas sinápticas (figura I.7) cuya función es clave para la comunicación interneuronal, como se verá más adelante. En la parte de la neurona que recibe esta comunicación, la neurona postsináptica, no se observan estructuras tan características, pero sí se sabe que están presentes unas proteínas muy importantes, los receptores, encargados de recibir el mensaje que la neurona presináptica quiere comunicar. Esta descripción corresponde a las sinapsis llamadas químicas, porque, como se verá después, se comunican a través de un mensajero químico. Existen, aunque en menor número, otro tipo de sinapsis en las cuales la comunicación entre las dos neuronas es directa y no necesita de un puente químico. Éstas son las sinapsis eléctricas que llevan a cabo una comunicación rápida y sencilla entre las neuronas. Las sinapsis químicas, en cambio, aunque más lentas, tienen mayores posibilidades, como se explicará después.
Figura I.6 Una neurona típica está formada por el soma y dos tipos de prolongaciones: las dendritas, cortas y ramificadas y el axón, más largo. En el extremo del axón se establece la comunicación con otras neuronas a través de las terminaciones o botones sinápticos que contienen las vesículas sinápticas donde se almacenan los neurotransmisores.
Figura I.7. Estructura de la sinapsis en la que se observan el espacio sináptico, las vesículas sinápticas de la neurona presináptica y los engrosamientos típicos de la neurona postsináptica.
Las células del cerebro reciben decenas de estos mensajes de otras neuronas, la mayor parte de los cuales se transmiten a través de sinapsis de esta naturaleza. ¿Cómo se sabe que la neurona recibió un mensaje de otra neurona? Las neuronas manejan un lenguaje eléctrico, es decir, a base de cambios en las cargas eléctricas que llevan algunos elementos químicos, muy importantes para la función del cerebro que son los iones. Los más destacados son el sodio y el potasio, que tienen carga eléctrica positiva, y el cloro con carga eléctrica negativa. Estos iones son fundamentales para el sistema de comunicación de las neuronas. En el interior de las células nerviosas predomina el potasio y algunas proteínas también con carga eléctrica, mientras que afuera existe una alta concentración de sodio y cloro. Estas diferencias en la concentración de las moléculas cargadas dan como resultado una diferencia en la distribución de las cargas eléctricas y éste es el lenguaje que entienden las neuronas. Cuando la neurona está "callada", su interior es más negativo eléctricamente que el exterior, pero esta situación cambia abruptamente cuando la neurona se comunica con otras neuronas. En realidad, una neurona se comunica con muchísimas otras neuronas al mismo tiempo (figura I.8). Le puede llegar una cantidad enorme de mensajes que la neurona integra conjuntamente y, de acuerdo con la resultante de esta integración, tendrá una carga más negativa o más positiva que en el estado de reposo. Estos mensajes en realidad consisten en un cambio en la distribución de las cargas eléctricas adentro de la neurona porque su membrana se hizo más o menos permeable a los iones y el cambio de la permeabilidad de la membrana se debe a la acción de sustancias químicas, los neurotransmisores, que son los comunicadores de la relación entre las neuronas.
Figura I.8. Imagen de microscopía electrónica en la que se observan los cuerpos de las neuronas, los axones y los botones sinápticos.