GUÍA BREVE
50 TEMAS FASCINANTES DE LA NEUROCIENCIA
PARA ENTENDER NUESTRO CEREBRO
Anil Set An eth th
GUÍA BREVE
50 TEMAS FASCINANTES DE LA NEUROCIENCIA
PARA ENTENDER NUESTRO CEREBRO Colaboradores Tristan Bekinschtein Daniel Bor Chris Frith Christian Jarret Ryoka Kanai Michael O’Shea Anil Seth Jamie Ward
Anil Seth
Título original 30-Second Brain Dirección creativa Peter Bridgewater Edición Jason Hook Dirección editorial Caroline Earle Dirección artística Michael Whitehead Diseño Ginny Zeal Ilustraciones Ivan Hissey, Jamie Pumfrey Texto de glosarios Anil Seth Texto de perfiles Viv Croot Traducción Alfonso Rodríguez Arias Revisión de la edición en lengua española Marta Ramon-Casas Facultad de Psicología Universidad de Barcelona
Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer Primera edición en lengua española 2015 © 2015 Art Blume, S. L. Carrer de les Alberes, 52, 2º 08017 Vallvidrera, Barcelona Tel. 93 205 40 00 Fax 93 205 14 41 e-mail info@blume.net © 2014 Ivy Press Limited East Sussex, Reino Unido I.S.B.N.: 978-84-9801-864-6 Impreso en China Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, sea por medios mecánicos o electrónicos, sin la debida autorización por escrito del editor.
WWW.BLUME.NET Este libro se ha impreso sobre papel manufacturado con materia prima procedente de bosques de gestión responsable. En la producción de nuestros libros procuramos, con el máximo empeño, cumplir con los requisitos medioambientales que promueven la conservación y el uso responsable de los bosques, en especial de los bosques primarios. Asimismo, en nuestra preocupación por el planeta, intentamos emplear al máximo materiales reciclados, y solicitamos a nuestros proveedores que usen materiales de manufactura cuya fabricación esté libre de cloro elemental (ECF) o de metales pesados, entre otros.
52 54 56 58 60 62 64 66 68 70
Cartografía del cerebro GLOSARIO Neuropsicología Imágenes del cerebro El conectoma humano Optogenética Perfil: Wilder Penfield Estado de reposo Hemisferios derecho e izquierdo Estimulación del cerebro
114 116 118 120 122 124 126 128 130 132
Cognición y emoción GLOSARIO El cerebro que recuerda El cerebro emocional El cerebro de la imaginación Perfil: Paul Broca El cerebro lingüístico Metacognición La toma de decisiones Neuronas especulares
72 74 76 78 80 82
Los cambios del cerebro GLOSARIO Neurogénesis y neuroplasticidad Entrenamiento del cerebro La personalidad del cerebro Envejecimiento del cerebro El cerebro parkinsoniano Perfil: Roger Sperry El cerebro esquizofrénico El cerebro que medita
90 92
Conciencia GLOSARIO El problema difícil Dormir y soñar Perfil: Francis Crick Correlatos neuronales de la conciencia Conciencia del propio cuerpo Conciencia e integración Volición, intención y «libre albedrío» El cerebro anestesiado El coma y el estado vegetativo
134 136 138 140 142 144 146 148 150 152
26 28 30
Estructura del encéfalo GLOSARIO Neuronas y neuroglías Neurotransmisores y receptores Neurogénetica Perfil: Santiago Ramón y Cajal La arquitectura básica del encéfalo El cerebelo El desarrollo del encéfalo La evolución del encéfalo
32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Teorías sobre el cerebro GLOSARIO Localización de las funciones El aprendizaje hebbiano Redes neuronales Codificación neuronal Perfil: Donald Hebb Ondas cerebrales Darwinismo neuronal El cerebro bayesiano
94 96 98 100 102 104 106 108 110 112
Percepción y acción GLOSARIO Por qué vemos los colores Visión ciega Sinestesia Sustitución sensorial No ver lo que está ahí Cómo tomamos una taza de café Perfil: Oliver Sacks Síndrome de la mano ajena
154 156 158 160
APÉNDICES Fuentes Notas sobre los colaboradores Índice Agradecimientos
CONTENIDO
6 Prólogo 8 Introducción 12 14 16 18 20 22 24
84 86 88
NEURONAS Y NEUROGLÍAS neurociencia en 30 segundos Las neuronas son las células del
NEUROCIENCIA EN 3 SEGUNDOS
Cada milímetro cúbico de materia gris encierra 4 km de interconexiones.
LLUVIA DE IDEAS EN 3 MINUTOS
El cerebro constituye solamente el 2 % del peso del cuerpo humano, pero consume el 20 % de las necesidades globales de energía de éste. Ejercitar el cerebro es caro desde el punto de vista energético. A pesar de ello, en la evolución humana, la parte más reflexiva de la corteza cerebral triplicó su tamaño, hace unos dos millones de años. La mayor parte del costo adicional de la evolución de las capacidades cognitivas humanas es consumida por una sola enzima que recarga las baterías que alimentan los impulsos nerviosos eléctricos.
16 g Estructura del encéfalo
encéfalo encargadas del procesamiento de la información. Usted tiene entre 90 000 y 100 000 millones de neuronas. Aunque ninguna de ellas tiene la menor idea de quién es usted, pero de alguna manera, al comunicarse entre sí, las neuronas hacen que aparezca la conciencia de sí mismo. Reciben mensajes de otras neuronas en el cuerpo de sus células y en sus cortas prolongaciones, denominadas dendritas, en estructuras especializadas llamadas sinapsis. Envían mensajes a otras neuronas a través de unas largas fibras conocidas como axones, en forma de patrones eléctricos codificados (impulsos nerviosos). Cada impulso es de aproximadamente 0,1 voltio, con una duración de una a dos milésimas de segundo, y se mueve a lo largo del axón a velocidades de hasta 480 km/hora. Cuando llegan a la sinapsis, los impulsos desencadenan la descarga de unos productos químicos señalizadores llamados neurotransmisores. Estos alteran el patrón de los impulsos nerviosos generados por la neurona receptora. Y así es como funciona el cerebro, pero esto no basta. Las neuronas solo funcionan bien si están bañadas por una mezcla adecuada de productos químicos. Esta condición la crean las neuroglías, cuyo número es de 50 veces el de las neuronas. Ayudan a estas últimas a cablearse en el cerebro en desarrollo, las alimentan en el cerebro adulto, aíslan los axones, eliminan las células muertas, reciclan los neurotransmisores usados y protegen el cerebro contra las infecciones. Son los héroes olvidados en la historia del cerebro.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también NEUROTRANSMISORES Y RECEPTORES pág. 18 REDES NEURONALES pág. 40
MINIBIOGRAFÍAS SANTIAGO RAMÓN Y CAJAL
1852–1934 Histólogo que definió los componentes celulares de la actividad mental WALTHER NERNST
1864–1941 Su trabajo teórico explicó cómo se generan las tensiones eléctricas en las células BERNARD KATZ
1911–2003 Propuso la hipótesis quantum/ vesicular de la generación de neurotransmisores
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Michael O’Shea
Por cada una de las neuronas ejecutivas, hay 50 neuroglías imprescindibles que mantienen el entorno neuronal.
EL DESARROLLO DEL ENCÉFALO neurociencia en 30 segundos El encéfalo se desarrolla a partir de
NEUROCIENCIA EN 3 SEGUNDOS
Las propiedades del encéfalo se mantienen mediante mecanismos plásticos dinámicos que tienen su origen en el embrión pero que continúan activos hasta la edad adulta. LLUVIA DE IDEAS EN 3 MINUTOS
En el desarrollo del encéfalo convergen las influencias genéticas (innatas) y del entorno (adquiridas). La falsa interpretación de la interacción entre ambas es causa de preguntas como: «¿esta característica es innata o adquirida?». Sin embargo, no se trata de «alternativas». El genoma no contiene suficiente información para construir el cerebro por sí mismo, por lo que los genes han evolucionado para usar la información procedente del entorno, que es fundamental para la sintonización fina del desarrollo de las redes neuronales. 28 g Estructura del encéfalo
un tubo que se forma en la piel del embrión en sus primeras semanas de vida. Las células se desarrollan más rápidamente en la parte frontal del tubo, que crece para formar el encéfalo embrionario. Las nuevas células que se producen se convierten en neuronas inmaduras. Cuando el embrión tiene unas cuatro semanas, estas migran hacia sus destinos, dando lugar a dendritas y axones, y son las primeras de las que serán billones de conexiones sinápticas. No hay un proyecto determinado para estas interconexiones, ya que el cerebro del embrión genera un exceso de neuronas y sinapsis, y permite la competencia y las interacciones con el entorno hasta formar circuitos funcionales. Aproximadamente la mitad de las neuronas del embrión mueren, al no poder establecer conexiones útiles. Algunas de las supervivientes, las involucradas en la transmisión de la información a grandes distancias, tienen sus axones protegidos por neuroglías, proceso conocido como mielinización, lo que aumenta la velocidad y calidad de la transmisión de la información. Hasta hace poco, se creía que el desarrollo del encéfalo se completaba en la niñez. En realidad, el volumen de la materia gris aumenta gradualmente durante la infancia, alcanza su máximo en los primeros años de la adolescencia y se reduce cuando el adolescente se convierte en adulto. Esta reducción del volumen del encéfalo parece rara, pero refleja su capacidad para adaptarse al entorno eliminando las sinapsis no utilizadas y reforzando las útiles (¡esto es lo que nos decimos a nosotros mismos!).
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también NEURONAS Y NEUROGLÍAS pág. 16 DARWINISMO NEURONAL pág. 48 NEUROGÉNESIS Y NEUROPLASTICIDAD pág. 138
MINIBIOGRAFÍAS RITA LEVI-MONTALCINI
1909–2012 Obtuvo el premio Nobel en 1986 por el descubrimiento de los «factores del crecimiento nervioso» (con Stanley Cohen), desarrollo fundamental en la formación de las neuronas. ROGER SPERRY
1913–1994 Premio Nobel en 1981. Demostró que las señales químicas son básicas en el establecimiento de conexiones del cerebro.
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Michael O’Shea
No está perdiendo células cerebrales, sino eliminando las holgazanas para que surja una máquina de pensar sencilla, limpia y de alta precisión.
EL APRENDIZAJE HEBBIANO neurociencia en 30 segundos ¿Qué ocurre en el cerebro cuando
NEUROCIENCIA EN 3 SEGUNDOS
¿Qué ocurre cuando aprendemos algo nuevo? «Las neuronas que se disparan juntas, permanecen juntas». LLUVIA DE IDEAS EN 3 MINUTOS
El espacio entre dos neuronas se denomina hendidura sináptica. Los neurotransmisores utilizan este pequeño espacio como puente para activar una neurona o inhibir la otra. El aprendizaje funciona como una combinación de estos dos tipos de comunicación. Basado en esto, se han encontrado evidencias de aprendizaje incluso en cohombros de mar. En este caso, el mecanismo molecular hace uso de glutamato liberado por la primera neurona que cruza la hendidura y se une a receptores en la segunda neurona, que, a su vez, crea más receptores disponibles para la siguiente ocasión en la que lleguen glutamatos. 38 g Teorías sobre el cerebro
aprendemos algo nuevo? ¿De qué manera los cambios en las neuronas y las sinapsis generan nuevos recuerdos? Ya en 1949, Donald Hebb imaginó que el aprendizaje y la memoria podían depender de un sencillo proceso en el que «las neuronas que se disparan juntas permanecerán juntas». Piense en ello como un rastro, como pisadas en la nieve, que se hace más profundo cuando dos neuronas se comunican. Anteriormente, la teoría de Hebb se aplicó a experimentos de condicionamiento iniciados por Iván Pávlov. Por ejemplo, una determinada neurona en el cerebro de una abeja se dispara cuando se le da azúcar, lo que hace que la abeja saque la probóscide. Si introducimos un olor a limón antes de dar azúcar a la abeja, y lo repetimos varias veces, esta empezará a sacar la probóscide cuando huele a limón, aunque no se le dé azúcar. Esta neurona se dispara ahora con solo el olor: el aprendizaje hebbiano ha reforzado las conexiones entre estas neuronas y otras que responden al aroma del limón. La fuerza de la idea de Hebb se extiende con las pruebas que demuestran que el aprendizaje cambia las conexiones entre dos neuronas a nivel molecular. Cuando se aprende una palabra nueva se crean nuevas conexiones en las redes del cerebro lingüístico debido al aprendizaje hebbiano.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también REDES NEURONALES pág. 40 CODIFICACIÓN NEURONAL pág. 42 EL CEREBRO QUE RECUERDA pág. 118
MINIBIOGRAFÍAS IVÁN PÁVLOV
1849–1936 Desarrolló el concepto de condicionamiento, que posiblemente es un mecanismo de aprendizaje subyacente en la mayoría de sus formas DONALD HEBB
1904–1985 Propuso un mecanismo de aprendizaje en las neuronas
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Tristan Bekinschtein
En un experimento de aprendizaje hebbiano, las abejas sacaban sus probóscides cuando olían el limón, debido a que sus neuronas habían aprendido que después vendría el azúcar.
VOLICIÓN, INTENCIÓN Y «LIBRE ALBEDRÍO» neurociencia en 30 segundos En la década de 1980, Benjamin Libet
NEUROCIENCIA EN 3 SEGUNDOS
Aunque puede que no exista algo como el «libre albedrío», existe realmente la experiencia de querer o intentar un acto, y se puede localizar en el cerebro. LLUVIA DE IDEAS EN 3 MINUTOS
El propio Libet no se sentía cómodo con las implicaciones de sus experimentos. Propuso que la conciencia podía imponer un «veto» entre el arranque del potencial premotor y la ejecución del movimiento correspondiente. Esto implica una «libre negación» en lugar de un «libre albedrío». Pero, en ambos casos, la idea de que la conciencia puede intervenir directamente en los procesos cerebrales es muy problemática. Sin embargo, experimentos recientes han buscado marcas neuronales de esos «vetos» conscientes.
88 g Conciencia
realizó uno de los experimentos más notables de la neurociencia moderna. Pidió a los participantes que levantaran un dedo cuando quisieran, y prestaran atención, mientras miraban a una manecilla de reloj que giraba, al momento en que sentían la necesidad de hacerlo. Durante la sesión, registró la actividad eléctrica de sus cerebros, y constató la presencia de patrones fiables de actividad, «potenciales premotores» que precedían a la necesidad de realizar el movimiento en aproximadamente medio segundo. Algunos consideran esto como una prueba de que el cerebro se decide a una acción (levantar el dedo) antes de que nosotros seamos conscientes de la intención de hacerlo, lo que desafía aparentemente las nociones lógicas del «libre albedrío». Sin embargo, muchos consideran poco sorprendentes los resultados de Libet; todos los actos que dependen del cerebro, tanto si son comportamientos (levantar un dedo) como experiencias (la intención consciente de hacerlo), tienen causas previas en el cerebro. Los potenciales premotores registrados por Libet se asocian con una región del cerebro denominada «área motora presuplementaria» y, de hecho, el neurocirujano Itzhak Fried advirtió que ligeras estimulaciones eléctricas en esta área ocasionan la experiencia de tener la intención de moverse, en tanto que una estimulación más intensa provoca efectivamente el movimiento. La controversia continúa en la actualidad. Parece que estamos determinados a depender de la idea del libre albedrío consciente.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también EL PROBLEMA DIFÍCIL pág. 76 CÓMO TOMAMOS UNA TAZA DE CAFÉ pág. 108 EL SÍNDROME DE LA MANO AJENA pág. 112
MINIBIOGRAFÍAS BENJAMIN LIBET
1916–2007 Famoso por sus experimentos sobre la temporalidad de las intenciones conscientes PATRICK HAGGARD
1965– Científico de la neurociencia cognitiva que ha ampliado los trabajos de Libet de diversas maneras interesantes, entre las que se encuentra la búsqueda de marcas cerebrales de los vetos conscientes.
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Anil Seth
¿Quién está señalando aquí con el dedo? Usted o el Grande que vive en su cerebro.
¿Estamos todos a merced de la química de nuestro cerebro? ¿Cree que la amígdala y el hipocampo son monstruos marinos fantásticos? ¿De qué nos puede informar una resonancia magnética? ¿Podría explicar en una reunión por qué no nos reímos cuando nos hacemos cosquillas? 50 temas fascinantes de la neurociencia es el camino más rápido para entender lo que ocurre en el interior de nuestra cabeza, gracias a expertos en este campo que explican las 50 teorías más nuevas y sorprendentes de la neurociencia. Cada uno de los temas se trata en unos 30 segundos, en solo dos páginas, no más de 300 palabras y una ilustración. Descubra cómo trabaja una red de más de 90 000 millones de células nerviosas para percibir, actuar, pensar y sentir las emociones. Conozca cómo su cerebro define su personalidad y lo que ocurre mientras duerme, a través de descriptivas imágenes y con información biográfica de los precursores en el campo de la neurociencia. Es el libro para que su materia gris piense en su materia gris. Anil Seth es profesor de Neurociencia cognitiva y computacional, y codirector fundador del Sackler Centre for Consciousness Science en la Universidad de Sussex, Reino Unido. Es autor de más de 100 artículos científicos, ha impartido conferencias, es un prolífico escritor de divulgación y sus investigaciones han aparecido publicadas en numerosos medios, entre ellos The Guardian y New Scientist.
Preservamos el medio ambiente • Reciclamos y reutilizamos. • Usamos papel de bosques gestionados de manera responsable. ISBN 978-84-9801-864-6
neuronas y neuroglías neurotransmisores y receptores neurogenética la arquitectura básica del encéfalo el cerebelo el desarrollo del encéfalo la evolución del encéfalo localización de las funciones el aprendizaje hebbiano redes neuronales codificación neuronal ondas cerebrales darwinismo neuronal el cerebro bayesiano neuropsicología imágenes del cerebro el conectoma humano optogenética estado de reposo hemisferios derecho e izquierdo estimulación del cerebro el problema difícil dormir y soñar correlatos neuronales de la conciencia conciencia del propio cuerpo conciencia e integración volición, intención y «libre albedrío» el cerebro anestesiado el coma y el estado vegetativo por qué vemos los colores visión ciega sinestesia sustitución sensorial no ver lo que está ahí cómo tomamos una taza de café el síndrome de la mano ajena el cerebro que recuerda el cerebro emocional el cerebro de la imaginación el cerebro lingüístico metacognición la toma de decisiones neuronas especulares neurogénesis y neuroplasticidad entrenamiento del cerebro la personalidad del cerebro envejecimiento del cerebro el cerebro parkinsoniano el cerebro esquizofrénico el cerebro que medita