Caminar sobre hielo requiere más que cerebro

Caminar sobre hielo requiere más que cerebro

Los científicos de Salk descubren cómo un "mini-cerebro" en la médula espinal ayuda a mantener el equilibrio

LA JOLLA: caminar por un estacionamiento helado en invierno y permanecer erguido requiere una concentración intensa. Pero un nuevo descubrimiento sugiere que gran parte del acto de equilibrio que realizan nuestros cuerpos cuando se enfrentan a una tarea de este tipo ocurre inconscientemente, gracias a un grupo de neuronas en nuestra médula espinal que funcionan como un "mini-cerebro" para integrar la información sensorial y hacer que la ajustes necesarios a nuestros músculos para que no nos resbalemos y caigamos.

En un artículo publicado el 29 de enero de 2015 en la revista Celular, los científicos del Instituto Salk mapean el circuito neural de la médula espinal que procesa el sentido del tacto ligero. Este circuito permite que el cuerpo haga pequeños ajustes reflexivos en la posición y el equilibrio de los pies usando sensores táctiles ligeros en los pies. El estudio, realizado en ratones, proporciona el primer plano detallado de un circuito espinal que sirve como centro de control para integrar los comandos motores del cerebro con la información sensorial de las extremidades. Una mejor comprensión de estos circuitos debería eventualmente ayudar en el desarrollo de terapias para lesiones de la médula espinal y enfermedades que afectan las habilidades motoras y el equilibrio, así como los medios para prevenir caídas en los ancianos.

Los investigadores del Instituto Salk mapearon los circuitos neuronales en la médula espinal que procesan las señales táctiles ligeras de los pies, una función crítica para las tareas motoras finas, como caminar sobre hielo. Esta imagen muestra este circuito neural en la médula espinal de un ratón. Los glóbulos rojos son neuronas RORα, que combinan señales provenientes de fibras neuronales provenientes del cerebro y las extremidades (ambas de color azul).

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Imagen: Cortesía de Steeve Bourane/Salk Institute for Biological Studies

“Cuando nos paramos y caminamos, los sensores táctiles en las plantas de los pies detectan cambios sutiles en la presión y el movimiento. Estos sensores envían señales a nuestra médula espinal y luego al cerebro”, dice Martin Goulding, profesor de Salk y autor principal del artículo. “Nuestro estudio abre lo que era esencialmente una caja negra, ya que hasta ahora no sabíamos cómo se codifican o procesan estas señales en la médula espinal. Además, no estaba claro cómo se fusionaba esta información táctil con otra información sensorial para controlar el movimiento y la postura”.

Si bien el papel del cerebro en los logros cerebrales como la filosofía, las matemáticas y el arte a menudo ocupa un lugar central, gran parte de lo que hace el sistema nervioso es utilizar la información recopilada de nuestro entorno para guiar nuestros movimientos. Caminar por ese estacionamiento helado, por ejemplo, involucra varios de nuestros sentidos para evitar que nos caigamos. Nuestros ojos nos dicen si estamos sobre hielo negro brillante o sobre asfalto húmedo. Los sensores de equilibrio en nuestro oído interno mantienen nuestra cabeza nivelada con el suelo. Y los sensores en nuestros músculos y articulaciones rastrean las posiciones cambiantes de nuestros brazos y piernas.

Cada milisegundo, múltiples flujos de información, incluidas las señales de la vía de transmisión del toque de luz que ha identificado el equipo de Goulding, fluyen hacia el cerebro. Una forma en que el cerebro maneja estos datos es preprocesándolos en estaciones sensoriales como el ojo o la médula espinal. El ojo, por ejemplo, tiene una capa de neuronas y sensores de luz en su parte posterior que realiza cálculos visuales, un proceso conocido como "codificación", antes de que la información pase a los centros visuales del cerebro. En el caso del tacto, los científicos han pensado durante mucho tiempo que la coreografía neurológica del movimiento se basa en circuitos de procesamiento de datos en la médula espinal. Pero hasta ahora, ha sido extremadamente difícil identificar con precisión los tipos de neuronas involucradas y trazar cómo están conectadas entre sí.

En su estudio, los científicos de Salk desmitificaron este sistema de control sensorial y motor afinado. Usando técnicas de imágenes de vanguardia que se basan en un virus de la rabia rediseñado, rastrearon fibras nerviosas que transportan señales desde los sensores táctiles en los pies hasta sus conexiones en la médula espinal. Descubrieron que estas fibras sensoriales se conectan en la médula espinal con un grupo de neuronas conocidas como neuronas RORα, llamadas así por un tipo específico de receptor molecular que se encuentra en el núcleo de estas células. Las neuronas RORα, a su vez, están conectadas por neuronas en la región motora del cerebro, lo que sugiere que podrían servir como un vínculo fundamental entre el cerebro y los pies.

Desde la derecha: Steeve Bourane, Antoine Dalet, Stephanie Koch, Chris Padilla, Cathy Charles, Graziana Gatto, Tommie Velasquez y Martyn Goulding

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Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

Cuando el equipo de Goulding inhabilitó las neuronas RORα en la médula espinal usando ratones modificados genéticamente desarrollados en Salk, encontraron que estos ratones eran sustancialmente menos sensibles al movimiento a través de la superficie de la piel o a una cinta adhesiva colocada en sus pies. A pesar de esto, los animales aún podían caminar y pararse normalmente en un terreno plano.

Sin embargo, cuando los investigadores hicieron que los animales caminaran a través de un haz estrecho y elevado, una tarea que requería más esfuerzo y habilidad, los animales lucharon y se desempeñaron más torpemente que los animales con neuronas RORα intactas. Los científicos atribuyen esto a la capacidad reducida de los animales para sentir la deformación de la piel cuando un pie se deslizaba por el borde y responden en consecuencia con pequeños ajustes en la posición del pie y habilidades motoras de equilibrio similares a las necesarias para mantener el equilibrio sobre hielo u otras superficies resbaladizas.

Otra característica importante de las neuronas RORα es que no solo reciben señales del cerebro y los sensores táctiles de luz, sino que también se conectan directamente con las neuronas de la médula espinal ventral que controlan el movimiento. Por lo tanto, están en el centro de un "mini-cerebro" en la médula espinal que integra señales del cerebro con señales sensoriales para asegurarse de que las extremidades se muevan correctamente.

"Creemos que estas neuronas son responsables de combinar toda esta información para decirle a los pies cómo moverse", dice Steeve Bourane, investigador postdoctoral en el laboratorio de Goulding y primer autor del nuevo artículo. “Si te paras sobre una superficie resbaladiza durante mucho tiempo, notarás que los músculos de la pantorrilla se ponen rígidos, pero es posible que no hayas notado que los estabas usando. Tu cuerpo está en piloto automático, constantemente haciendo correcciones sutiles mientras te libera para atender otras tareas de nivel superior”.

El estudio del equipo representa el comienzo de una nueva ola de investigación que promete brindar explicaciones precisas y completas sobre cómo el sistema nervioso codifica e integra la información sensorial para generar movimientos tanto conscientes como inconscientes.

“Cómo el cerebro crea una percepción sensorial y la convierte en una acción es una de las preguntas centrales de la neurociencia”, agrega Goulding. “Nuestro trabajo ofrece una visión realmente sólida de las vías y procesos neuronales que subyacen al control del movimiento y cómo el cuerpo percibe su entorno. Estamos al comienzo de un cambio radical en el campo, lo cual es tremendamente emocionante”.

Otros autores del artículo fueron Katja S. Grossmann, Olivier Britz, Antoine Dalet, Marta García Del Barrio, Floor J. Stam, Lidia García-Campmany y Stephanie Koch, todos del Instituto Salk.

La investigación fue financiada por Los Institutos Nacionales de Salud (Becas NS080586, NS086372 y NS072031), la Fundación Catharina, la Humboldt
Fundación y Joan e Irwin Jacobs, a través del Programa de Becas de Innovación de Salk.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.