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Siete ilustraciones científicas para descubrir las neuronas, las tumbas neolíticas o las aves más ruidosas del mundo

Por Mar Gulis (CSIC)

¿Quieres ver las sorprendentes y diferentes formas de las neuronas humanas? ¿Conocer cómo son las cinco especies de lirones que viven en Europa? ¿Descubrir cómo se construyeron algunas tumbas neolíticas para que la luz del solsticio de invierno penetrara en ellas? Estos son solo algunos de los fenómenos que te invitan a explorar las imágenes de Illustraciencia 10, el certamen internacional de ilustración científica y naturalista del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Asociación Catalana de Comunicación Científica (ACCC).

En este post te presentamos las siete obras ganadoras de su décima edición, seleccionadas entre las más de 500 que se presentaron. Infografías, ilustraciones digitales, acuarelas, dibujos a tinta o a lápiz… las propuestas escogidas por el jurado y el público son una muestra clara de que cualquier medio puede resultar útil para transmitir el conocimiento científico. Si después de verlas, te quedas con ganas de más, en la web del certamen puedes ver las cuarenta imágenes que formarán parte de la exposición Illustraciencia 10, que se inaugura el próximo 30 de junio en el Museo Nacional de Ciencias Naturales.

Neuronas

Diversidad morfológica de las neuronas humanas. / Maddi Astigarraga Bergara (España)

Las formas de las neuronas humanas

Premio Año Cajal

Las neuronas del sistema nervioso humano tienen formas muy variadas. Este dibujo realizado a lápiz y ordenador representa algunas de estas células sin la mielina que las recubre, para que así se las pueda apreciar mejor. Algunas de las neuronas que vemos son multipolares, es decir, que de su cuerpo celular o soma salen múltiples ramificaciones denominadas dendritas. Estas neuronas se diferencian entre sí por la longitud de su axón, la prolongación que conduce el impulso nervioso. Las de axón largo incluyen las neuronas motoras (a) y las piramidales (b); y las de axón corto, las células en cesta (c) y las granulosas (d). También existen las neuronas bipolares como las de la retina (e), con dos prolongaciones: un axón y una dendrita, y las neuronas pseudounipolares, que tienen una única prolongación que se divide en dos a muy corta distancia del cuerpo celular, como la neurona ganglionar (f). Otras neuronas reflejadas en la imagen son los conos (g) y bastones (h), que son unipolares, las células de Purkinge (i) y las células amacrinas (j).

Dormice of Europe (Gliridae). / Denitsa Peneva (Bulgaria)

Los lirones de Europa

Premio Ilustración Naturalista

La imagen representa a las cinco especies de lirones que se encuentran en Europa: el lirón colipelado (Myomimus roachi), el muscardino balcánico (Dryomys nitedula), el lirón gris (Glis glis), el lirón enano (Muscardinus avellanarius) y el lirón careto o común (Eliomys quercinus). Cada uno aparece sobre una planta que es típica de su hábitat o de su dieta. Además, el lirón común, que es carnívoro, se muestra junto a un caracol. La ilustración se realizó en acuarela y carboncillo para la 11ª Conferencia Internacional del Lirón, celebrada el año pasado en Svilengrad, Bulgaria, donde recientemente ha sido redescubierta una gran población endémica de lirón colipelado.

El solsticio de invierno en los dólmenes de Sedano y Las Loras. / Marina Lezcano Herrera (España)

El solsticio de invierno en los dólmenes neolíticos

Premio Ilustración Científica

Esta infografía muestra la incidencia de la luz en los túmulos neolíticos del norte de la provincia de Burgos durante el amanecer del solsticio de invierno, cuando los rayos del sol alcanzan el interior de la cámara funeraria gracias a una orientación precisa del corredor de acceso. Se trata de un fenómeno que se repite en las construcciones megalíticas de otras regiones y que refleja la importancia de los ciclos naturales para las sociedades prehistóricas. La reconstrucción está basada en el dolmen de Las Arnillas, que fue utilizado como lugar de enterramiento y, posiblemente, de rituales desde el Neolítico hasta bien entrada la Edad del Bronce.

Conectomas de un corte coronal. / Daniel Casanova Martínez (Chile)

Un cerebro interconectado

Mención especial Año Cajal

Al cortar el cerebro, las fibras de conexión, denominadas sustancia blanca, no se aprecian de forma definida. Este dibujo realizado con tinta y plumilla sobre papel negro representa de forma “anatomo-artística” cómo las fibras conectan diferentes regiones cerebrales. La técnica elegida recrea la forma en que Ramón y Cajal plasmaba en el papel sus observaciones y teorías. La información en la que se basa la ilustración procede de la tractografía, una de las más recientes técnicas de imagen utilizadas en el estudio de las conexiones cerebrales.

Victoria cruziana

Victoria cruziana’. / Juan Luis Castillo Gorroño (España)

Una planta acuática que ‘devora’ escarabajos

Mención especial Ilustración Naturalista

Victoria cruziana es una planta acuática originaria de Sudamérica, donde frecuenta remansos de agua en las cuencas de los ríos Paraná y Paraguay.
Como se refleja en esta imagen digital, tiene grandes hojas circulares de hasta dos metros y medio de diámetro que flotan en el agua. La flor, con un aroma similar a la piña, florece durante la noche y solo durante dos días. La primera noche la flor, femenina y de color blanco, eleva su temperatura mediante una reacción termoquímica que favorece la difusión de su aroma y atrae a polinizadores como el escarabajo Cyclocepahala castanea. Este queda atrapado cuando la flor cierra sus pétalos al amanecer.

Procnias: el género de aves más ruidoso del mundo. / Jaime de la Torre Naharro (España)

Las aves más ruidosas del mundo

Mención especial Ilustración Científica

Cuando ‘cantan’, las procinas emiten un ruido de hasta 125 decibelios, superior al de un concierto de música o al que genera un tren en marcha. Este género de aves es nativo de la América tropical e incluye las cuatro especies retratadas en esta composición digital: Procnias albus (1-2.a), Procnias tricarunculatus (1-2.b), Procnias averano (1-2.c) y Procnias nudicollis (1-2.d). La clave de su potencia sonora es la siringe, un órgano exclusivo de las aves ubicado en el extremo inferior de la tráquea (figura 3) y modulado por una serie de músculos (figura 4) que permiten la variación del sonido y los tonos del canto.

Andreaea nivalis

‘Andreaea nivalis’. / Manuel Sánchez Villegas (España)

Un musgo de alta montaña

Premio especial del público

En la península ibérica habitan las poblaciones más meridionales de Europa de Andreaea nivalis, un musgo acostumbrado a la nieve que crece en la alta montaña. El ejemplar representado en esta lámina proviene de una de las escasas poblaciones de la sierra de Gredos, las únicas conocidas en la península que se reproducen sexualmente. El aumento de las temperaturas y la escasez de agua provocada por el cambio climático amenazan la supervivencia de esta especie en nuestro territorio. En el Libro Rojo de los Briófitos Amenazados de España está catalogada como vulnerable según los criterios de la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (IUCN, por sus siglas en inglés).

La explicación que acompaña a cada imagen ha sido elaborada a partir del texto facilitado por su autor o autora en el momento de inscribirse en el certamen.

Astrocitos: estrellas que hablan en nuestro cerebro

Por Irene Serra Hueto (CSIC)*

Seguro que has oído alguna vez que nuestro cerebro es el ordenador más potente del mundo. Ahora bien, ¿en qué piensas cuando te preguntan de qué está formado? Lo más probable es que lo primero que te venga a la cabeza sean las neuronas. No está mal, pero para que esta máquina tan singular funcione con todo su potencial necesita del trabajo de otras células igual de importantes. Entre ellas se encuentran los astrocitos, que reciben su nombre de las estrellas.

Empecemos por el principio. El cerebro funciona gracias a que las neuronas transmiten información a través de corrientes eléctricas. Los puntos de conexión entre una neurona y otra se conocen como sinapsis. En ellas se liberan sustancias llamadas neurotransmisores que permiten que el impulso eléctrico continúe de una neurona a otra. En este punto de conexión, en este diálogo entre las neuronas, el astrocito juega un papel fundamental, modulando y regulando la comunicación entre ellas.

Nuestro cerebro habla bajo sus propias reglas. Esquema de una sinapsis cerebral donde se intercambia la información entre las células, como en una conversación de WhatsApp. / Irene Serra. Células creadas con Biorender.com.

¿Qué ventajas puede tener una conversación a tres? Este sistema, más complejo que una conversación a dos, permite más variedad de mensajes y añade un elemento mediador que asegura que la información se transmite correctamente, el astrocito. La cuestión es que no tenemos un solo astrocito por cada sinapsis. En ratones, una sola de estas células es capaz de modular, mediar y participar en más de 100.000 sinapsis simultáneamente. Es como si un único astrocito estuviese presente y hablando en 100.000 grupos de WhatsApp al mismo tiempo. En humanos, un solo astrocito interviene en 2 millones de sinapsis. Es decir, que nuestros astrocitos tienen 20 veces más capacidad de procesar información… Y, además, tenemos millones de ellos. ¿Y si la explicación (o, al menos, parte de ella) a nuestra inteligencia residiera en el gran refinamiento que los astrocitos aportan a nuestro cerebro?

Para poder contestar esta pregunta necesitamos saber más. Precisamente, mi investigación en el Instituto Cajal (IC) del CSIC se centra en estudiar los circuitos astrocito-neurona; en concreto, los que se establecen en el núcleo Accumbens, la zona del cerebro que se activa cuando algo nos gusta. Esta zona recibe información de otras regiones del cerebro relacionadas con la memoria (hipocampo), las emociones (amígdala) y la toma de decisiones (corteza prefrontal), y es muy importante porque se ve afectada, entre otros casos, en trastornos de adicción.

Ejemplo de cómo es la información que pasa por el núcleo Accumbens vista desde una conversación de WhatsApp./ Irene Serra

Sabemos que los astrocitos son parte fundamental de la regulación de este núcleo y, desde hace poco, también que el cerebro tiene distintos tipos de astrocitos, del mismo modo que tiene distintos tipos de neuronas. Sin embargo, todavía no hemos comprendido en profundidad para qué son los astrocitos diferentes entre ellos ni cómo son de diferentes. En el núcleo Accumbens, ¿tenemos astrocitos especializados regulando la información de recuerdos de aquello que nos gusta? ¿Hay otros asociados a las emociones? ¿Intervienen en los circuitos de toma de decisión?

Un sensor de calcio para superar las limitaciones de los microscopios

En el último trabajo publicado por el Laboratorio de Plasticidad Sináptica e Interacciones astrocito-neurona del IC-CSIC, dirigido por Marta Navarrete, profundizamos en estas preguntas y presentamos una nueva herramienta que nos ha permitido estudiar, por primera vez, la actividad de los astrocitos a gran escala y con precisión temporal. Se trata de CaMPARIGFAP, un sensor de calcio con el que hemos podido observar el núcleo Accumbens al completo y detectar qué astrocitos responden a un estímulo concreto.

El tamaño de las lentes de los microscopios es limitado y hace que no sea posible observar al mismo tiempo todos los astrocitos de una región cerebral. La particularidad de CaMPARIGFAP es que detecta, mediante la fluorescencia, el calcio que emiten los astrocitos cuando se activan. Es como hacer una foto: al enviar un ‘flash’ de luz violeta, los astrocitos inactivos se muestran en verde y los activos en rojo. De este modo, podemos analizar cómo responden regiones amplias del cerebro a un estímulo determinado.

Tejido del núcleo Accumbens en el que cambia el color de CaMPARIGFAP según la actividad de los astrocitos. / Irene Serra

Utilizando esta herramienta hemos descubierto que los astrocitos del núcleo Accumbens forman redes funcionales que responden de diferente forma según la procedencia de los estímulos -memoria, emociones o decisiones­-. Los resultados indican que los astrocitos son capaces de distinguir de dónde viene la información y, también, que integran las diferentes señales en un procesamiento paralelo al de las neuronas. Todo apunta a que los astrocitos están mucho más especializados en los circuitos cerebrales de lo que pensábamos.

Comprender en detalle cómo interaccionan con las neuronas y cómo regulan la información que llega de las diferentes zonas del cerebro nos acercaría mucho a encontrar soluciones eficaces para tratar la adicción. Y eso solo en el núcleo de Accumbens: llegar a entender cómo interaccionan los astrocitos en otras regiones cerebrales nos permitiría comprender mucho mejor el potencial de nuestro cerebro, que a día de hoy esconde tantos misterios como el universo.

*Irene Serra Hueto es investigadora predoctoral en el Laboratorio de plasticidad sináptica e interacciones astrocito-neurona del Instituto Cajal del CSIC, dirigido por Marta Navarrete.

¿Qué ocurre en un cerebro esquizofrénico?

Por Jesús Ávila (CSIC)*

En el mundo hay aproximadamente 25 millones de personas con esquizofrenia, un trastorno cuya edad media de aparición se sitúa en torno a los 25 años.

El término ‘esquizofrenia’ es la combinación de dos pala­bras griegas, schizo (dividir) y phrenos (mente), y se refiere a un trastorno en el que la división de funciones mentales da lugar a un comportamien­to social anómalo, pues el paciente confunde lo que es real con lo imaginario. La persona afectada puede sufrir alucinaciones, fundamentalmente auditivas, que pueden derivar en un estado de psicosis, es decir, en la pérdida temporal del contacto con la realidad. En muchos casos, la esquizofrenia se asocia también a estados de depresión y de ansiedad o a una capacidad reducida para sentir placer. Además, los pacientes suelen tener problemas de interacción social y profe­sional.

La esquizofrenia es un trastorno mental grave que afecta a determinadas funciones cerebrales.

La esquizofrenia es un trastorno mental grave que afecta a determinadas funciones cerebrales.

Aunque en la esquizofrenia la mente cambia una situación real por otra ficticia, lo cual implica un funcionamiento de la mente fuera de ‘lo normal’, existen casos de personajes geniales que han sufrido esta enfermedad. Este es el caso de Van Gogh, que pintaba con colores que podían mejorar la misma naturaleza; de Edgar Allan Poe, cuyos relatos imaginarios exageraban (pero casi perfeccionaban) la realidad; o de otro paciente de esquizofrenia, John Nash, que obtuvo el Nobel de Economía en 1994 por el enfoque distinto que supo dar a los hechos.

A finales del siglo XIX y principios del XX había gran interés en Alemania por conocer las causas de la(s) demencia(s). Fundamentalmente, en el laboratorio del doctor Kraepelin, en Baviera, se buscaban causas de demencia diferentes a la provocada por la bacteria T-pallidum, que daba lugar a la neurosífilis, un tipo de demencia (infecciosa) bastante prevalente en aquellos tiempos. Así, buscando otros orígenes para la demencia, fue Kraepelin, que más tarde sería mentor de Alois Alzheimer, quien describió la esquizofrenia como demencia precoz. También fue quien realizó una clara distinción entre esquizofrenia y trastorno bipolar.

El cerebro esquizofrénico

Las causas de este trastorno todavía se desconocen con exactitud. En cualquier caso, en la esquizofrenia aparecen algunas áreas cerebrales afectadas, como el nucleus accumbens, en donde una alta cantidad de secreción de dopamina puede dar lugar a alucina­ciones. Dado que la esquizofrenia va acompañada, a veces, con alucinaciones, un posible mecanismo para la aparición de las mismas podría estar basado en cambios en la transmisión dopaminérgica. Dicha transmisión depende de la dopamina y de los receptores celulares a los que asocia. Se ha sugerido que, en la esquizofrenia, la cantidad o la presencia de variantes de estos receptores dopaminérgicos puedan tener una función en el desarrollo de la patología.

Los pacientes de esquizofrenia tienden a empeorar con el uso de sustancias tóxicas como el alcohol o la cocaína. De hecho, estas sustancias pueden llegar a causar en personas no esquizofrénicas la aparición de una psicosis similar a la encontrada en este trastorno.

Los pacientes de esquizofrenia tienden a empeorar con el uso de sustancias tóxicas como el alcohol o la cocaína. De hecho, estas sustancias pueden llegar a causar en personas no esquizofrénicas la aparición de una psicosis similar a la encontrada en este trastorno.

Recientemente, además, se ha señalado que una elevación anormal de un tipo específico de receptores de dopamina (DRD2) en regiones del tálamo puede estar relacionada con las alucinaciones audi­tivas. De hecho, muchos estudios apuntan a una variante del gen que expresa dichos receptores DRD2 como un importante factor de riesgo.

Otra área afectada es la corteza prefrontal, donde tiene lugar una deficiente secreción de dopa­mina, la cual se ha relacionado con los problemas de an­siedad o con la aparición, en ocasiones, de conductas violentas o de desarraigo social. Aun­que no muy específica de esta enfermedad, otra posible característica son los niveles elevados de homocisteína. Se cree que este aminoácido puede interac­cionar con determinados receptores de glutamato (receptores tipo NMDA) y provocar estrés oxidativo, es decir, un desequilibrio entre la producción y la eliminación de especies reactivas del oxígeno o radicales libres, y muerte neuronal. Es un hecho constatado que la esquizofrenia comparte con las demencias seniles la pérdida de comunicación neuronal (sinapsis), que puede observarse parcialmente por la pérdida de espinas dendríticas.

En busca de las causas

Respecto a las causas de la esquizofrenia, es posible que en algunos casos tenga un origen familiar. Es lo que ocurre con el gen implicado en la expresión de DRD2 y, posiblemente, en una familia escocesa en la que se ha encontrado una baja expresión de un gen –provocada por una translocación entre los cromosomas 1 y 11– denominada DISC-1 (disrupted in schizo­phrenia 1) y que puede inducir a la aparición del trastorno. Eso sí, aunque el nombre del gen se ha relacionado con la esquizofrenia, algunos portadores de la translocación pueden su­frir otros problemas como, por ejemplo, la enfermedad maníaco-depresiva.

 

Hay bastante consenso en que convergen tanto factores genéticos como ambientales en la aparición de la esquizofrenia.

Hay bastante consenso en que convergen tanto factores genéticos como ambientales en la aparición de la esquizofrenia.

Por otro lado, además de los factores genéticos, se cree que el modo de vida durante el desarrollo de una persona puede afectar a la aparición de la enferme­dad. Así, se ha señalado que un defecto en la cantidad de vitamina D en la infancia o problemas de nutrición durante el desarrollo fetal pueden suponer riesgos para padecer esquizofrenia cuando se llega a la edad adulta.

 

* Jesús Ávila es neurocientífico y profesor de investigación en el Centro de Biología Molecular “Severo Ochoa” del CSIC (centro del que fue director), además de autor del libro La demencia’ de la colección de divulgación ¿Qué sabemos de?, disponible en la Editorial CSIC y Los Libros de la Catarata.

 

Soñamos para… ¿no volvernos locos?

óscar herreras 70Por Óscar Herreras (CSIC)*

Desde que el ser humano se pregunta sobre sí mismo, uno de los grandes misterios que han generado todo tipo de teorías es por qué soñamos. Todos los mamíferos sueñan, cuestión que deberían tener en cuenta los interpretadores de sueños y otras parafernalias… Y quienes confían en ellos. Soñar es una propiedad del cerebro, y la neurofisiología moderna nos da unas claves sencillas para deshacer el gran misterio sin recurrir a teorías estrambóticas.

Veamos. Todos tenemos claro que guardamos enormes cantidades de información cada día y que almacenamos en forma de recuerdos. Cada objeto, sea físico, como una mesa, abstracto, como un color, subjetivo, como una creencia, o imaginario, como un superhéroe, se representa en el cerebro de cada persona (u otro animal, insisto) como un grupo concreto de interruptores eléctricos (las sinapsis) entre neuronas de distintas partes de la corteza cerebral. Un recuerdo no es más que un grupo de objetos relacionados, vividos u observados a la vez. Cuando se activa un grupo de sinapsis, reconoces el objeto; cuando se activan varios grupos distintos en una secuencia, tienes un recuerdo.

Neuronas

Neuronas del hipocampo. /Almudena Fuster Matanzo. FOTCIENCIEA9

¿Cuál es la relación entre los recuerdos y el sueño? Pues los sueños no son sino la manifestación de un mecanismo biológico por el que parte de esa información se elabora y graba en el cerebro y podrá ser utilizada más tarde. Durante el día se guardan temporalmente en unas neuronas ‘de paso’, y por la noche (o cuando puedas), mientras duermes, se descargan definitivamente, como la memoria RAM (de lectura/escritura y volátil) y la memoria ROM (solo de lectura y permanente) de un ordenador.

Las neuronas pueden establecer nuevos contactos sinápticos con otras, y eso es lo que ocurre cuando observas/vives un objeto nuevo o una experiencia. Esto fue comprobado en experimentos con ratones tras ser entrenados en diversas tareas, según publicó la revista Science en 2014. Solo si se les permitía dormir tras la ejecución de las mismas se podían observar estas nuevas sinapsis.

También se pueden poner en funcionamiento sinapsis ya existentes que no estaban siendo utilizadas, posiblemente en la fase de sueño lento. ¿Cómo se ponen en juego estas sinapsis ‘silenciosas’? Simplemente haciendo fluir pulsos eléctricos desde las neuronas ‘RAM’ hacia ellas. Es el proceso denominado  ‘consolidación sináptica’. Pero en ese proceso, es inevitable que la activación de nuevas sinapsis provoque a su vez pulsos eléctricos en las neuronas que las albergan, que son enviados a otros grupos de sinapsis ya existentes y que representaban uno o varios objetos grabados anteriormente.

/xioubin low

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¿Te imaginas si este proceso lo hicieras despierto? Cada vez que vieras el color rojo podrías ‘activar’ objetos de otros recuerdos anteriores en los que este color era esencial, y estos a otros, y así en una cadena sin sentido de objetos pregrabados que te harían creer que estás alucinando, literalmente, viendo objetos que no estás viendo o viviendo escenas que no ocurren. Mejor hacerlo dormidos, ¿no?

 

*Óscar Herreras es investigador del Instituto Cajal del CSIC, en el  Laboratorio de Neurofisiología Experimental y Computacional.