2.2. Registro y estimulación de la actividad neural

Registro de la actividad neural

Los axones producen potenciales de acción y los botones terminales provocan potenciales postsinápticos en la membrana de las células con las que establecen sinapsis. Estos fenómenos eléctricos pueden registrarse y los cambios en la actividad eléctrica de una región concreta se pueden usar para determinar si dicha región participa en el control de diversas conductas.

Los registros pueden realizarse crónicamente durante un largo periodo de tiempo después de que el animal se haya recuperado de la intervención, o de forma aguda durante un periodo de tiempo relativamente corto en el cual el animal permanece anestesiado. Los registros agudos por lo general se limitan al estudio de las vías sensoriales.

Registro con microelectrodos

Los microelectrodos tienen una punta muy fina, lo suficientemente pequeña para poder registrar la actividad eléctrica de neuronas individuales. Por lo general esta técnica se denomina registro de neuronas individuales o de unidades. Los electrodos se implantan en el encéfalo de los animales mediante cirugía estereotáxica, luego se conectan a unos zócalos de conexión eléctrica y se fijan al cráneo con una pasta especial. Cuando el animal se ha recuperado de la cirugía ya se le puede conectar al sistema de registro. Las señales eléctricas que detectan los microelectrodos son bastante débiles y tienen que amplificarse. Los amplificadores usados convierten las débiles señales registradas en el encéfalo en otras más fuertes, pudiendo ser almacenadas en un ordenador para posteriores análisis.

Registro con macroelectrodos

Los macroelectrodos no detectan la actividad de neuronas individuales, sino que los registros obtenidos representan los potenciales sinápticos de muchas células del área donde está el electrodo. Los registros representan la actividad de una gran cantidad de neuronas cuyas señales eléctricas atraviesan meninges, cráneo y cuero cabelludo para alcanzar los electrodos.

A veces, se implantan macroelectrodos directamente en el interior del encéfalo humano para detectar el origen de una actividad eléctrica anómala. Esta actividad eléctrica se registra en electrodos pegados al cuero cabelludo y se muestra en un polígrafo.

Estos registros se llaman electroencefalogramas (EEG) o “escritos de la electricidad de la cabeza”.

Pueden utilizarse para el diagnóstico de la epilepsia o para estudiar las fases de sueño y vigilia, las cuales están asociadas con una actividad eléctrica característica. Otra aplicación es supervisar el estado del encéfalo durante una intervención que en principio, puede dañarlo.

Registro de la actividad metabólica y sináptica del cerebro

Las señales eléctricas no son los únicos signos de actividad neural. Si la actividad de una región concreta del encéfalo aumenta, el índice metabólico también lo hace, como consecuencia del mayor funcionamiento de las bombas iónicas de la membrana de las células. Este aumento puede estimularse si inyectamos 2-DG, similar a la glucosa es transportada al interior de las células. Las más activas consumen más glucosa por lo que alcanzan mayor concentración de 2-DG radioactiva.

Pero esta molécula no puede ser metabolizada de modo que quedará dentro de la célula. Más tarde el animal será sacrificado y su encéfalo preparado para la autorradiografía las moléculas de 2-DG se ponen de manifiesto como puntos de gránulos plateados en la emulsión, ya que la radioactividad revela la emulsión como lo haría la luz o los rayos X.

Otro método para identificar las regiones activas del encéfalo se aprovecha de que cuando las neuronas son estimuladas determinados genes del núcleo (genes de expresión temprana) son activados y se producen proteínas específicas. Éstas se unen a los cromosomas del núcleo y la presencia de proteínas nucleares indica que las neuronas han sido activadas.

La actividad metabólica de regiones cerebrales específicas puede asimismo estimarse en el cerebro humano utilizando neuroimagen funcional. El primer método que se inventó fue la tomografía por emisión de positrones (TEP). Al paciente se le inyecta 2-DG radioactiva. Se coloca la cabeza del paciente en un aparato similar al TAC y al descomponerse las moléculas 2-DG emiten partículas llamadas positrones que son detectadas por el TEP.

El ordenador mira cuáles son las regiones del encéfalo que han absorbido 2-DG y crea una imagen de una sección del encéfalo mostrando el nivel de actividad de diversas regiones de ésta sección. Un inconveniente es su coste de funcionamiento ya que las sustancias radioactivas tienen una vida media muy corta (se descomponen y pierden su radioactividad muy rápido). Otro sería que es relativamente baja la resolución espacial de las imágenes.

No obstante, la TEP estima la concentración de determinadas sustancias químicas en diversas partes del encéfalo. El método de neuroimagen con mejor resolución temporal y espacial se conoce como resonancia magnética funcional: permite calcular el metabolismo regional en el encéfalo detectando cambios en el oxígeno de la sangre.

Estimulación de la actividad neural

Estimulación eléctrica y química

La eléctrica implica simplemente pasar una corriente eléctrica por un cable insertado en el encéfalo y la estimulación química se efectúa por lo general inyectando en el encéfalo una pequeña cantidad de un Aa excitador como el ácido caínico o el ácido glutámico. La inyección de sustancias en el encéfalo puede hacerse mediante un dispositivo permanentemente unido al cráneo, de modo que la conducta del animal pueda observarse en repetidas ocasiones. Como el animal tiene libertad de movimientos, se pueden observar los efectos de la inyección en su conducta. El principal inconveniente de la estimulación química es que resulta algo más compleja que la eléctrica, aun así tiene una clara ventaja: activa somas celulares pero no los axones de neuronas que pasen por la región que nos interesa.

Fotoestimulación

Existen proteínas fotosensibles cuya acción comienza y termina muy rápido cuando se enciende y apaga una luz de adecuada longitud de onda. Por ejemplo la rodopsina-canal 2 (ChR2) que se encuentra en algas verdes y la NpHT localizada en una bacteria.

Se puede introducir estas proteínas en neuronas incorporando los genes que las codifican al genoma de virus inocuos. Los investigadores necesitan hacer penetrar luz en el cerebro: si las neuronas que expresan las proteínas fotosensibles están en la corteza se puede taladrar un orificio en el cráneo y adherir diodos emisores de luz, pero si las neuronas están en la profundidad del encéfalo se pueden implantar fibras ópticas por cirugía como si fueran electrodos o cánulas. Sus usos clínicos son: como posible tratamiento de la ceguera.

Estimulación magnética transcraneal

Pueden emplearse campos magnéticos para estimular neuronas induciendo corrientes eléctricas en el tejido cerebral. En la EMT se usa una bobina electromagnética para estimular las neuronas de la corteza cerebral humana. La bobina de estimulación se pone sobre la parte superior del cráneo de modo que el punto de cruce esté encima de la región que se quiere estimular. La EMT se ha utilizado para tratar síntomas de trastornos como la depresión.

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