Circuito neural de la médula espinal de un ratón que procesa las señales de tacto ligero de los pies. Las células rojas son las neuronas RORα, que funden las señales procedentes de las fibras neurales procedentes del cerebro y las de las extremidades (ambas en azul). Imagen: Steeve Bourane. Fuente: Instituto Salk.
Caminar a través de un estacionamiento helado en invierno y permanecer en posición vertical requiere una intensa concentración.
Pero un nuevo descubrimiento sugiere que gran parte del acto de equilibrio que nuestros cuerpos realizan cuando se enfrentan a una tarea como esa sucede inconscientemente, gracias a un grupo de neuronas de nuestra médula espinal que funciona como un "mini-cerebro" para integrar la información sensorial y hacer los ajustes necesarios en nuestros músculos para que no nos resbalemos y caigamos.
En un artículo publicado ayer en la revista Cell, científicos del Instituto Salk de Estudios Biológicos (La Jolla, California, EE.UU.) cartografían los circuitos neuronales de la médula espinal que procesan el sentido del tacto ligero. Este circuito permite que el cuerpo realice de forma refleja pequeños ajustes en la posición del pie y el equilibrio por medio de sensores de tacto ligero en los pies.
El estudio, realizado en ratones, ofrece el primer mapa detallado de un circuito espinal que sirve como centro de control para la integración las órdenes motoras del cerebro con información sensorial de las extremidades. Una mejor comprensión de estos circuitos debería ayudar en el desarrollo de terapias para lesiones de la médula espinal y enfermedades que afectan a las habilidades motoras y el equilibrio, así como para prevenir las caídas de los ancianos.
"Cuando nos ponemos de pie y andamos, sensores táctiles de las plantas de nuestros pies detectan cambios sutiles en la presión y el movimiento. Estos sensores envían señales a nuestra médula espinal y al cerebro", explica Martyn Goulding, profesor de Salk, en la nota de prensa del Instituto.
"Nuestro estudio abre lo que era básicamente una caja negra, ya que hasta ahora no sabíamos cómo se codifican o procesan estas señales en la médula espinal. Por otra parte, no estaba claro cómo esta información táctil se fundía con otra información sensorial para controlar el movimiento y la postura".
Los sentidos
Mientras que el papel del cerebro suele ser el principal en logros cerebrales tales como la filosofía, las matemáticas y el arte, gran parte de lo que el sistema nervioso hace es usar la información obtenida de nuestro entorno para guiar nuestros movimientos.
Caminando por el estacionamiento de hielo, por ejemplo, varios de nuestros sentidos se dedican a evitar que nos caigamos. Nuestros ojos nos dicen si estamos sobre hielo brillante o en asfalto húmedo. Los sensores de equilibrio de nuestro oído interno mantienen la cabeza paralela al suelo. Y los sensores de nuestros músculos y articulaciones siguen las posiciones cambiantes de nuestros brazos y piernas.
Cada milisegundo, múltiples flujos de información, incluyendo las señales del canal de transmisión del tacto ligero que el equipo de Goulding ha identificado, fluyen hacia el cerebro. Una forma que tiene el cerebro de manejar estos datos es por pre-procesamiento en estaciones de paso sensoriales, como el ojo o la médula espinal.
El ojo, por ejemplo, tiene una capa de neuronas y sensores de luz en su parte trasera que realiza cálculos visuales -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 análisis de datos de la médula espinal. Pero hasta ahora ha sido muy difícil identificar con precisión los tipos de neuronas implicadas y trazar la forma en que se conectan entre sí.
Pero un nuevo descubrimiento sugiere que gran parte del acto de equilibrio que nuestros cuerpos realizan cuando se enfrentan a una tarea como esa sucede inconscientemente, gracias a un grupo de neuronas de nuestra médula espinal que funciona como un "mini-cerebro" para integrar la información sensorial y hacer los ajustes necesarios en nuestros músculos para que no nos resbalemos y caigamos.
En un artículo publicado ayer en la revista Cell, científicos del Instituto Salk de Estudios Biológicos (La Jolla, California, EE.UU.) cartografían los circuitos neuronales de la médula espinal que procesan el sentido del tacto ligero. Este circuito permite que el cuerpo realice de forma refleja pequeños ajustes en la posición del pie y el equilibrio por medio de sensores de tacto ligero en los pies.
El estudio, realizado en ratones, ofrece el primer mapa detallado de un circuito espinal que sirve como centro de control para la integración las órdenes motoras del cerebro con información sensorial de las extremidades. Una mejor comprensión de estos circuitos debería ayudar en el desarrollo de terapias para lesiones de la médula espinal y enfermedades que afectan a las habilidades motoras y el equilibrio, así como para prevenir las caídas de los ancianos.
"Cuando nos ponemos de pie y andamos, sensores táctiles de las plantas de nuestros pies detectan cambios sutiles en la presión y el movimiento. Estos sensores envían señales a nuestra médula espinal y al cerebro", explica Martyn Goulding, profesor de Salk, en la nota de prensa del Instituto.
"Nuestro estudio abre lo que era básicamente una caja negra, ya que hasta ahora no sabíamos cómo se codifican o procesan estas señales en la médula espinal. Por otra parte, no estaba claro cómo esta información táctil se fundía con otra información sensorial para controlar el movimiento y la postura".
Los sentidos
Mientras que el papel del cerebro suele ser el principal en logros cerebrales tales como la filosofía, las matemáticas y el arte, gran parte de lo que el sistema nervioso hace es usar la información obtenida de nuestro entorno para guiar nuestros movimientos.
Caminando por el estacionamiento de hielo, por ejemplo, varios de nuestros sentidos se dedican a evitar que nos caigamos. Nuestros ojos nos dicen si estamos sobre hielo brillante o en asfalto húmedo. Los sensores de equilibrio de nuestro oído interno mantienen la cabeza paralela al suelo. Y los sensores de nuestros músculos y articulaciones siguen las posiciones cambiantes de nuestros brazos y piernas.
Cada milisegundo, múltiples flujos de información, incluyendo las señales del canal de transmisión del tacto ligero que el equipo de Goulding ha identificado, fluyen hacia el cerebro. Una forma que tiene el cerebro de manejar estos datos es por pre-procesamiento en estaciones de paso sensoriales, como el ojo o la médula espinal.
El ojo, por ejemplo, tiene una capa de neuronas y sensores de luz en su parte trasera que realiza cálculos visuales -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 análisis de datos de la médula espinal. Pero hasta ahora ha sido muy difícil identificar con precisión los tipos de neuronas implicadas y trazar la forma en que se conectan entre sí.
De derecha a izquierda: Steeve Bourane, Antoine Dalet, Stephanie Koch, Chris Padilla, Cathy Charles, Graziana Gatto, Tommie Velásquez y Martyn Goulding. Fuente: Instituto Salk para Estudios Biológicos.
Neuronas RORα
En su estudio, los científicos de Salk desmitifican este afinado sistema de control sensorial-motor. Usando técnicas de imagen de vanguardia basadas en virus de la rabia rediseñados, rastrearon las fibras nerviosas que transportan las señales de los sensores táctiles de los pies a sus conexiones en la médula espinal.
Encontraron 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 encontrado en el núcleo de estas células.
Las neuronas RORα a su vez están conectadas con neuronas de la región del motor de cerebro, lo que sugiere que podrían servir como enlace clave entre el cerebro y los pies.
Cuando el equipo de Goulding desactivó las neuronas RORα de la médula espinal utilizando ratones modificados genéticamente desarrollados en Salk, descubrieron que estos ratones eran sustancialmente menos sensibles al movimiento a través de la superficie de la piel o a una pieza de cinta adhesiva colocada en sus pies. A pesar de esto, los animales eran todavía capaces de caminar o estar de pie normalmente en terreno plano.
Sin embargo, cuando los investigadores hicieron caminar a los animales a través de un camino estrecho y elevado, una tarea que requiere más esfuerzo y habilidad, los animales lo pasaban mal, y se movían de manera más torpe que los animales con las neuronas RORα intactas.
Los científicos lo atribuyen a la reducción de capacidad de los animales para detectar la deformación de la piel cuando un pie se desliza por el borde y para responder en consecuencia con pequeños ajustes en la posición de los pies y el equilibrio: habilidades motoras similares a las necesarias para mantener el equilibrio sobre hielo u otras superficies resbaladizas.
Otra característica importante de las neuronas RORα es que no sólo reciben señales desde el cerebro y los sensores de tacto ligero, 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" de la médula espinal que integra las señales del cerebro con señales sensoriales para asegurarse de que los miembros se mueven correctamente.
Combinación
"Creemos que estas neuronas son responsables de la combinación de toda esta información para decir a los pies que se muevan", afirma Steve Bourane, investigador postdoctoral en el laboratorio de Goulding y autor principal del artículo.
"Si usted se queda parado sobre una superficie resbaladiza durante mucho tiempo, se dará cuenta de que los músculos de la pantorrilla se endurecen, pero puede no haber notado que los estaba usando. Su cuerpo está en piloto automático, haciendo constantemente correcciones sutiles mientras le da la libertad de atender otras tareas de más nivel".
El estudio del equipo representa el comienzo de una nueva ola de investigación que promete dar explicaciones precisas y completas a cómo el sistema nervioso codifica e integra la información sensorial para generar movimiento consciente e inconsciente.
"Cómo crea el cerebro una percepción sensorial y la convierte en una acción es una de las cuestiones centrales de la neurociencia", añade Goulding. "Nuestro trabajo está ofreciendo una visión muy potente de las vías neuronales y los procesos que subyacen en el control del movimiento y la forma en que el cuerpo percibe su entorno. Estamos en el comienzo de un gran cambio real en este campo, lo cual es muy emocionante".
En su estudio, los científicos de Salk desmitifican este afinado sistema de control sensorial-motor. Usando técnicas de imagen de vanguardia basadas en virus de la rabia rediseñados, rastrearon las fibras nerviosas que transportan las señales de los sensores táctiles de los pies a sus conexiones en la médula espinal.
Encontraron 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 encontrado en el núcleo de estas células.
Las neuronas RORα a su vez están conectadas con neuronas de la región del motor de cerebro, lo que sugiere que podrían servir como enlace clave entre el cerebro y los pies.
Cuando el equipo de Goulding desactivó las neuronas RORα de la médula espinal utilizando ratones modificados genéticamente desarrollados en Salk, descubrieron que estos ratones eran sustancialmente menos sensibles al movimiento a través de la superficie de la piel o a una pieza de cinta adhesiva colocada en sus pies. A pesar de esto, los animales eran todavía capaces de caminar o estar de pie normalmente en terreno plano.
Sin embargo, cuando los investigadores hicieron caminar a los animales a través de un camino estrecho y elevado, una tarea que requiere más esfuerzo y habilidad, los animales lo pasaban mal, y se movían de manera más torpe que los animales con las neuronas RORα intactas.
Los científicos lo atribuyen a la reducción de capacidad de los animales para detectar la deformación de la piel cuando un pie se desliza por el borde y para responder en consecuencia con pequeños ajustes en la posición de los pies y el equilibrio: habilidades motoras similares a las necesarias para mantener el equilibrio sobre hielo u otras superficies resbaladizas.
Otra característica importante de las neuronas RORα es que no sólo reciben señales desde el cerebro y los sensores de tacto ligero, 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" de la médula espinal que integra las señales del cerebro con señales sensoriales para asegurarse de que los miembros se mueven correctamente.
Combinación
"Creemos que estas neuronas son responsables de la combinación de toda esta información para decir a los pies que se muevan", afirma Steve Bourane, investigador postdoctoral en el laboratorio de Goulding y autor principal del artículo.
"Si usted se queda parado sobre una superficie resbaladiza durante mucho tiempo, se dará cuenta de que los músculos de la pantorrilla se endurecen, pero puede no haber notado que los estaba usando. Su cuerpo está en piloto automático, haciendo constantemente correcciones sutiles mientras le da la libertad de atender otras tareas de más nivel".
El estudio del equipo representa el comienzo de una nueva ola de investigación que promete dar explicaciones precisas y completas a cómo el sistema nervioso codifica e integra la información sensorial para generar movimiento consciente e inconsciente.
"Cómo crea el cerebro una percepción sensorial y la convierte en una acción es una de las cuestiones centrales de la neurociencia", añade Goulding. "Nuestro trabajo está ofreciendo una visión muy potente de las vías neuronales y los procesos que subyacen en el control del movimiento y la forma en que el cuerpo percibe su entorno. Estamos en el comienzo de un gran cambio real en este campo, lo cual es muy emocionante".
Referencia bibliográfica:
Steeve Bourane, Katja S. Grossmann, Olivier Britz, Antoine Dalet, Marta Garcia Del Barrio, Floor J. Stam, Lidia Garcia-Campmany, Stephanie Koch, Martyn Goulding. Identification of a Spinal Circuit for Light Touch and Fine Motor Control. Cell (2015). DOI: 10.1016/j.cell.2015.01.011
Steeve Bourane, Katja S. Grossmann, Olivier Britz, Antoine Dalet, Marta Garcia Del Barrio, Floor J. Stam, Lidia Garcia-Campmany, Stephanie Koch, Martyn Goulding. Identification of a Spinal Circuit for Light Touch and Fine Motor Control. Cell (2015). DOI: 10.1016/j.cell.2015.01.011