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| El cerebro humano,: Uno los misterios más grandes del mundo, entre estímulos eléctricos y conexiones |  |  |  |
El cerebro humano,: Uno los misterios más grandes del mundo, entre estímulos eléctricos y conexiones.
Archivo: Neurofisiología
Dr. Markus Franciskus Mueller Bender / muellerm@uaem.mx
Facultad de Ciencias de la UAEM
Cada año el frente de investigación es más amplio y los investigadores en todo el mundo tratan de resolver una gran diversidad de problemas de ciencia básica y aplicada. Dependiendo de las normativas de los gobiernos y de las demandas de la industria, se enfoca cada vez en nuevos proyectos, mientras el interés (y el apoyo económico) en otros decae.
Sin embargo, existe un conjunto de preguntas fundamentales que nunca perdieron su popularidad a lo largo de la historia y que atrajeron la atención del hombre probablemente desde el inicio de la humanidad.
Unos de estos problemas proviene de la astronomía cuando se pregunta ¿qué es la estructura del universo? y ¿a dónde se evolucionará? Otra pregunta de primordial importancia es ¿de qué está hecho este mundo? o bien ¿cuáles son los “ladrillos” fundamentales de toda la materia (viva y no-viva)? Irónicamente, los estudios sobre el sistema más grande que conocemos, el universo, se unifica con la ciencia de los objetos más pequeños del mundo, las partículas elementales, cuando se trata de contestar la pregunta ¿qué es el origen de nuestro universo? y actualmente los investigadores intentan realizar los experimentos más grandes y costosos de toda la historia para reproducir el ambiente en el cual se encontró (probablemente) nuestro universo durante las primeras fracciones de un segundo después de su nacimiento.
Sobre todo durante la última década otro misterio de la naturaleza ganó mucha popularidad: la pregunta sobre el plan principal de la vida. Según los reportes recientes en revistas especializadas los biólogos están sólo a un paso en descifrar el código genético de los humanos. Eso no solamente ofrece una gran cantidad de posibles aplicaciones. Aún más importante (al menos para fines científicos) es el gran impacto de estos resultados para la ciencia básica para poder contestar preguntas del estilo ¿quiénes somos? y ¿de dónde venimos? y quizá también ¿quiénes vamos a ser en el futuro? Todas aquellas son seguramente preguntas de carácter transcendental.
Aunque se podría seguir complementando esta lista de problemas fundamentales deseo conducir nuestra atención a un sistema en particular que enfocó el interés de los científicos desde hace muchos siglos: el cerebro humano.
Alrededor de 500 a. de C. el filósofo griego Anaxágoras ya atribuyó al cerebro la ubicación de la alma y de la razón (y no al corazón como lo creyó Aristóteles). Anaxágoras pensaba que el cerebro funciona como una especie de una glándula produciendo las ideas y emociones en forma de un líquido. Esta hipótesis careció todavía de pruebas experimentales u observaciones porque en aquel tiempo fue prohibido diseccionar seres humanos. Este tabú rompieron Herófilo y Erasístrato como 200 años más tarde observando que hay ciertos cables delgados (los nervios) que conectan los músculos de los brazos y piernas con el cerebro, una observación que comprueba la teoría, de que el cerebro funge como el órgano central que coordina en este caso los movimientos.
Desde entonces, la ciencia de neurofisiología experimentó una evolución impresionante y los científicos de diferentes tiempos acumularon una gran cantidad de información sobre el cerebro humano.
Se sabe, que el cerebro consiste de aproximadamente 100 billones (es decir 100 mil millones) células llamadas neuronas y cada una de ellas está conectada con 10 mil a 100 mil otros formando así una red gigantesca. Para imaginar el tamaño de esta telaraña se podría ensartar una conexión a la otra llegando así a una longitud total del cableado de aproximadamente 10 millones de kilómetros. Por justa razón muchos científicos dicen, que el cerebro humano es probablemente el sistema más complejo en todo el universo. Pero ¿en qué manera esta red procesa información y coordina las múltiples funciones de nuestro cuerpo? ¿qué hace el cerebro cuando ejecutamos un pequeño calculo, digamos 16x17? y ¿cómo genera el sistema nervioso central emociones como el amor?
Veamos primero un poco más en detalle de cómo funciona una unidad de esta red, una neurona. Resulta que cada neurona ya tiene su propia dinámica que se expresa sobre todo a través del llamado “potencial de acción”. Debido a la magnitud del estimulo eléctrico que recibe por sus múltiples conexiones, la membrana celular de la neurona abre ciertos canales iónicos, provocando así un flujo de cargas a través de ellos. De esta manera la diferencia de potencial eléctrico entre el interior y exterior de la membrana puede aumentar aproximadamente 100mV (mili voltios). Para la vida cotidiana esta voltaje parece ser muy pequeño, considerando que la red de la luz provee 110V (Voltios), que es mil veces más grande. Sin embargo, como las fluctuaciones del potencial medidas en la membrana usualmente son de unos pocos mV, la magnitud del potencial de acción es sumamente grande. Como éste fenómeno sucede súbitamente durante pocos mili-segundos, los científicos también dicen que los neuronas “disparan”.
El aspecto importante de este cuento es, que las neuronas se comunican entre ellas a través de los potenciales de acción. Esta comunicación puede provocar, que las neuronas en una cierta región de la corteza inician a disparar de manera sincronizada, mientras solo unos momentos después la dinámica del mismo conjunto de células parece ser completamente desordenado.
Se cree, que justo este fenómeno de sincronización es crucial para el procesamiento de información y se puede localizar regiones en el cerebro en las cuales la actividad neuronal está muy sincronizada mientras el cerebro ejecuta ciertas tareas. Aún más, los neurofisiólogos elaboraron mapas del cerebro que indican en cuales partes del cerebro administran las diferentes funciones. Así se conoce por ejemplo la región motórica, las regiones que coordinan los sentidos, el centro cerebral de lenguaje, las regiones que son activas cuando elaboramos el cálculo mencionado arriba, o también las regiones responsables por nuestros sentimientos. Desafortunadamente, esta cartografía no puede ser muy precisa porque las mapas funcionales varían ligeramente, no solamente entre diferentes personas, sino también con la edad de un individuo.
Sin embargo, las técnicas experimentales llegaron últimamente a tal precisión, que un grupo de científicos reportó recientemente, que se logró “leer” los pensamientos de una persona simplemente midiendo el patrón de actividad de su cerebro. Aunque esto se lee como una historia de la ciencia ficción, éste logro es en cierta forma puro empirismo. Estos científicos entrenaron a una computadora para reconocer el patrón de actividad cerebral, cuando la persona pensaba por ejemplo en la palabra “cerebro” y podía distinguirlo cuando se concentró en la palabra “ciencias”. De esta manera, la computadora identificó en más del 90% de los casos la palabra correcta dentro de un conjunto de palabras finito y bien definido.
Pero ¿qué aprendemos realmente de experimentos de este estilo sobre el funcionamiento del cerebro? ¿Por qué se mueven mis dedos de manera coordinada tecleando este artículo cuando ciertos grupos de neuronas de mi cerebro disparan de manera sincronizada? ¿Cómo se me ocurren ideas? ¿De dónde vienen y por qué?, ¿en qué manera se guarda información, como por ejemplo la fecha de nacimiento de mi esposa?, y ¿cuáles son los mecanismos que me causan un susto súbito cuando de repente me doy cuenta que su cumpleaños fue ayer?
No se sabe todavía la respuesta a estas preguntas. El cerebro humano, el sistema que determina nuestra razón, el órgano que albergue nuestra personalidad, sigue siendo un misterio. Quizá el misterio más grande del mundo.
Desde el año de 2003 hasta entonces mi línea de investigación ha sido el desarrollo de métodos numéricos para analizar series temporales de sistemas complejos con un enfoque especial que busca entender el fenómeno de la epilepsia, analizando datos electroencefalográficos. El objetivo principal de esta línea de investigación es entender en primera instancia el mecanismo que genera ataques epilépticos, posteriormente la dinámica cerebral durante un ataque y finalmente las estrategias que usa el cerebro para terminar con esta crisis. En este sentido, tengo colaboraciones internacionales con el Centro de Epileptología de la Universidad de Bonn en Alemania y con el hospital de la Universidad de Berna en Suiza.
Dr. Markus Franciskus Mueller Bender / muellerm@uaem.mx
Facultad de Ciencias de la UAEM
Cada año el frente de investigación es más amplio y los investigadores en todo el mundo tratan de resolver una gran diversidad de problemas de ciencia básica y aplicada. Dependiendo de las normativas de los gobiernos y de las demandas de la industria, se enfoca cada vez en nuevos proyectos, mientras el interés (y el apoyo económico) en otros decae.
Sin embargo, existe un conjunto de preguntas fundamentales que nunca perdieron su popularidad a lo largo de la historia y que atrajeron la atención del hombre probablemente desde el inicio de la humanidad.
Unos de estos problemas proviene de la astronomía cuando se pregunta ¿qué es la estructura del universo? y ¿a dónde se evolucionará? Otra pregunta de primordial importancia es ¿de qué está hecho este mundo? o bien ¿cuáles son los “ladrillos” fundamentales de toda la materia (viva y no-viva)? Irónicamente, los estudios sobre el sistema más grande que conocemos, el universo, se unifica con la ciencia de los objetos más pequeños del mundo, las partículas elementales, cuando se trata de contestar la pregunta ¿qué es el origen de nuestro universo? y actualmente los investigadores intentan realizar los experimentos más grandes y costosos de toda la historia para reproducir el ambiente en el cual se encontró (probablemente) nuestro universo durante las primeras fracciones de un segundo después de su nacimiento.
Sobre todo durante la última década otro misterio de la naturaleza ganó mucha popularidad: la pregunta sobre el plan principal de la vida. Según los reportes recientes en revistas especializadas los biólogos están sólo a un paso en descifrar el código genético de los humanos. Eso no solamente ofrece una gran cantidad de posibles aplicaciones. Aún más importante (al menos para fines científicos) es el gran impacto de estos resultados para la ciencia básica para poder contestar preguntas del estilo ¿quiénes somos? y ¿de dónde venimos? y quizá también ¿quiénes vamos a ser en el futuro? Todas aquellas son seguramente preguntas de carácter transcendental.
Aunque se podría seguir complementando esta lista de problemas fundamentales deseo conducir nuestra atención a un sistema en particular que enfocó el interés de los científicos desde hace muchos siglos: el cerebro humano.
Alrededor de 500 a. de C. el filósofo griego Anaxágoras ya atribuyó al cerebro la ubicación de la alma y de la razón (y no al corazón como lo creyó Aristóteles). Anaxágoras pensaba que el cerebro funciona como una especie de una glándula produciendo las ideas y emociones en forma de un líquido. Esta hipótesis careció todavía de pruebas experimentales u observaciones porque en aquel tiempo fue prohibido diseccionar seres humanos. Este tabú rompieron Herófilo y Erasístrato como 200 años más tarde observando que hay ciertos cables delgados (los nervios) que conectan los músculos de los brazos y piernas con el cerebro, una observación que comprueba la teoría, de que el cerebro funge como el órgano central que coordina en este caso los movimientos.
Desde entonces, la ciencia de neurofisiología experimentó una evolución impresionante y los científicos de diferentes tiempos acumularon una gran cantidad de información sobre el cerebro humano.
Se sabe, que el cerebro consiste de aproximadamente 100 billones (es decir 100 mil millones) células llamadas neuronas y cada una de ellas está conectada con 10 mil a 100 mil otros formando así una red gigantesca. Para imaginar el tamaño de esta telaraña se podría ensartar una conexión a la otra llegando así a una longitud total del cableado de aproximadamente 10 millones de kilómetros. Por justa razón muchos científicos dicen, que el cerebro humano es probablemente el sistema más complejo en todo el universo. Pero ¿en qué manera esta red procesa información y coordina las múltiples funciones de nuestro cuerpo? ¿qué hace el cerebro cuando ejecutamos un pequeño calculo, digamos 16x17? y ¿cómo genera el sistema nervioso central emociones como el amor?
Veamos primero un poco más en detalle de cómo funciona una unidad de esta red, una neurona. Resulta que cada neurona ya tiene su propia dinámica que se expresa sobre todo a través del llamado “potencial de acción”. Debido a la magnitud del estimulo eléctrico que recibe por sus múltiples conexiones, la membrana celular de la neurona abre ciertos canales iónicos, provocando así un flujo de cargas a través de ellos. De esta manera la diferencia de potencial eléctrico entre el interior y exterior de la membrana puede aumentar aproximadamente 100mV (mili voltios). Para la vida cotidiana esta voltaje parece ser muy pequeño, considerando que la red de la luz provee 110V (Voltios), que es mil veces más grande. Sin embargo, como las fluctuaciones del potencial medidas en la membrana usualmente son de unos pocos mV, la magnitud del potencial de acción es sumamente grande. Como éste fenómeno sucede súbitamente durante pocos mili-segundos, los científicos también dicen que los neuronas “disparan”.
El aspecto importante de este cuento es, que las neuronas se comunican entre ellas a través de los potenciales de acción. Esta comunicación puede provocar, que las neuronas en una cierta región de la corteza inician a disparar de manera sincronizada, mientras solo unos momentos después la dinámica del mismo conjunto de células parece ser completamente desordenado.
Se cree, que justo este fenómeno de sincronización es crucial para el procesamiento de información y se puede localizar regiones en el cerebro en las cuales la actividad neuronal está muy sincronizada mientras el cerebro ejecuta ciertas tareas. Aún más, los neurofisiólogos elaboraron mapas del cerebro que indican en cuales partes del cerebro administran las diferentes funciones. Así se conoce por ejemplo la región motórica, las regiones que coordinan los sentidos, el centro cerebral de lenguaje, las regiones que son activas cuando elaboramos el cálculo mencionado arriba, o también las regiones responsables por nuestros sentimientos. Desafortunadamente, esta cartografía no puede ser muy precisa porque las mapas funcionales varían ligeramente, no solamente entre diferentes personas, sino también con la edad de un individuo.
Sin embargo, las técnicas experimentales llegaron últimamente a tal precisión, que un grupo de científicos reportó recientemente, que se logró “leer” los pensamientos de una persona simplemente midiendo el patrón de actividad de su cerebro. Aunque esto se lee como una historia de la ciencia ficción, éste logro es en cierta forma puro empirismo. Estos científicos entrenaron a una computadora para reconocer el patrón de actividad cerebral, cuando la persona pensaba por ejemplo en la palabra “cerebro” y podía distinguirlo cuando se concentró en la palabra “ciencias”. De esta manera, la computadora identificó en más del 90% de los casos la palabra correcta dentro de un conjunto de palabras finito y bien definido.
Pero ¿qué aprendemos realmente de experimentos de este estilo sobre el funcionamiento del cerebro? ¿Por qué se mueven mis dedos de manera coordinada tecleando este artículo cuando ciertos grupos de neuronas de mi cerebro disparan de manera sincronizada? ¿Cómo se me ocurren ideas? ¿De dónde vienen y por qué?, ¿en qué manera se guarda información, como por ejemplo la fecha de nacimiento de mi esposa?, y ¿cuáles son los mecanismos que me causan un susto súbito cuando de repente me doy cuenta que su cumpleaños fue ayer?
No se sabe todavía la respuesta a estas preguntas. El cerebro humano, el sistema que determina nuestra razón, el órgano que albergue nuestra personalidad, sigue siendo un misterio. Quizá el misterio más grande del mundo.
Desde el año de 2003 hasta entonces mi línea de investigación ha sido el desarrollo de métodos numéricos para analizar series temporales de sistemas complejos con un enfoque especial que busca entender el fenómeno de la epilepsia, analizando datos electroencefalográficos. El objetivo principal de esta línea de investigación es entender en primera instancia el mecanismo que genera ataques epilépticos, posteriormente la dinámica cerebral durante un ataque y finalmente las estrategias que usa el cerebro para terminar con esta crisis. En este sentido, tengo colaboraciones internacionales con el Centro de Epileptología de la Universidad de Bonn en Alemania y con el hospital de la Universidad de Berna en Suiza.
El Dr. Müller obtuvo su Licenciatura en la Universidad Técnica de Dresden en Alemania y su Doctorado en Física en la misma Universidad en el año de 1995 con la tesis titulada “Generation of different time scales during the decay of nuclear compound resonances”. En 1996/97 realizó una estancia de Investigación posdotoral en el conocido actualmente como Instituto de Ciencias Físicas de la UNAM con el Dr. Thomas Seligman en el tema de correlaciones en sistemas cuánticos abiertos. Después realizo una estancia de investigación en el Instituto de Max-Planck para la Física de sistemas complejos en Dresden, Alemania. El Dr. Müeller cuenta actualmente con 41 artículos publicados en revistas especializadas de nivel internacional, con aproximadamente 180 citas externas a su trabajo y ha sido reconocido con el Nivel 2 del SNI.
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