Entendre el cervell, el seu desenvolupament, el seu funcionament, la seva plasticitat i les seves patologies
La investigació científica ens permet conèixer cada dia una mica més com funciona el cervell, la seu de la cognició, la memòria, les emocions… Des de l’anatomia del cervell fins als coneixements actuals sobre la consciencia, passant per diferents malalties neurològiques, descobreix el cervell.
Per què buscar entendre el cervell?
Des d’un punt de vista filosòfic, el cervell és l’òrgan que percep, pensa i actua. És, doncs, el que ens permet donar sentit a l’existència.
A nivell sociològic, el cervell és el conductor de l’organisme que gestiona mentre es gestiona a si mateix. És responsable del nostre comportament i, per tant, de les nostres interaccions amb els individus que formen la societat.
Científicament, el cervell constitueix un gran repte perquè encara conté misteris tant en el seu desenvolupament, en el seu funcionament normal i patològic com en les seves facultats d’adaptació. Avui és fonamental desentranyar els mecanismes de la gènesi de les nostres facultats intel·lectuals, les nostres emocions i les conductes motrius que són la seva expressió.
I, finalment, el repte mèdic d’avui és entendre el cervell malalt en el context de les malalties neurològiques (Alzheimer, Parkinson, ELA, esclerosi múltiple, epilèpsia, etc.) o malalties i trastorns psiquiàtriques (depressió, esquizofrènia, autisme, TOC, etc.) per desenvolupar els tractaments de demà.
Aquesta és la raó de l’existència de Neurociencia.cat: acollida de noves empreses dins d’una incubadora, laboratoris de recerca… volem contribuir a trobar noves vies terapèutiques i posar-les en pràctica.
Què és el cervell?
El cervell amb la medul·la espinal constitueix el sistema nerviós central, capaç d’integrar informació, controlar les habilitats motrius i assegurar les funcions cognitives.
Pesa aproximadament 1,3 kg (75% d’aigua) i és l’òrgan millor protegit, d’una banda perquè està banyat en líquid cefaloraquidi, reduint els efectes del xoc i d’altra banda perquè està cobert per tres embolcalls: les meninges. Consumeix entre un 15% i un 20% de l’energia produïda per l’organisme, principalment glucosa, un sucre simple que aporten els aliments. Està travessat per un gran nombre de vasos sanguinis que permeten un important subministrament d’oxigen.
El cervell està format per dos hemisferis (dret i esquerre) units pel cos callós. Cada hemisferi cerebral està format pel lòbul frontal, el lloc del raonament, les funcions del llenguatge, la coordinació motora voluntària; pel lòbul parietal, seu de la consciència del cos i l’espai que l’envolta; pel lòbul occipital, permetent la integració de missatges; pel lòbul temporal, centre de l’oïda, la memòria i les emocions; pel lòbul límbic, per processar informació sobre emocions, afectes i memòria; i el lòbul de la ínsula, que permet tractar el dolor, l’olor i el gust.
El cerebel controla l’equilibri i la coordinació dels moviments, i el tronc encefàlic serveix de punt d’encreuament entre els hemisferis cerebrals i la medul·la espinal.
El cervell està format per 100.000 milions de cèl·lules nervioses, “neurones”, que constitueixen una xarxa cablejada molt precisa. La mielina és la funda protectora present al llarg dels axons de les neurones i que permet la propagació dels impulsos nerviosos. Està format per oligodendròcits que amb astròcits i micròglia s’anomenen cèl·lules glials, tan nombroses com les neurones.
El cervell també conté l’excorça o matèria grisa: és la part més superficial del cervell, per la presència dels cossos cel·lulars de les neurones. També conté la substància blanca, on es troben les extensions de les neurones (axons), envoltades per una beina de mielina. També reuneix quatre ventricles cerebrals, cavitats per on circula el líquid cefaloraquidi. Finalment, al centre, els ganglis basals, també anomenats ganglis basals, intervenen en el control de la conducta i l’aprenentatge.
El cervell, un expert en comunicació
Les neurones es comuniquen entre elles mitjançant senyals elèctrics, anomenats impulsos nerviosos (o potencials d’acció). Cada neurona està formada per un cos cel·lular, extensions anomenades dendrites i axons. Aquests fan connexions amb altres neurones mitjançant sinapsis.
L’impuls nerviós es propaga al llarg de l’axó fins a acabar al terminal sinàptic. Com més gran sigui la freqüència, més la neurona produeix substàncies químiques: neurotransmissors.
Aquests últims continguts de les vesícules s’alliberen a l’entorn extracel·lular a nivell de la sinapsi i, al seu torn, activaran o inhibiran una segona neurona a nivell de la seva dendrita o del seu cos cel·lular. Un cop més, l’impuls nerviós continua el seu camí al llarg d’aquesta segona neurona, i així successivament.
Hi ha diversos tipus de neurotransmissors. Alguns poden ser excitants com el glutamat o inhibidors com el GABA. Entre les més conegudes, les principals són la dopamina, la serotonina, la histamina i l’acetilcolina. Les neurones responsables de produir dopamina (situades en una regió profunda del cervell anomenada “substància negra”) són essencials per controlar el moviment.
Desenvolupament cerebral
El sistema nerviós està format per una gran diversitat d’estructures i tipus cel·lulars. Durant el desenvolupament, el sistema nerviós es forma només a partir d’unes poques cèl·lules. Les regions cerebrals es diferencien gradualment mitjançant un fenomen de regionalització. Les cèl·lules es diferencien entre si en funció de la seva posició en el sistema nerviós en desenvolupament. Tot això està controlat per un conjunt de gens que actuen d’una manera molt específica i coordinada en el temps i l’espai. Aquestes regions cerebrals recentment formades es connectaran entre elles i s’especialitzaran en funcions particulars.
Plasticitat cerebral
Les connexions del nostre cervell són dinàmiques i en constant evolució per integrar les nostres experiències vitals i aprenentatges. Tot i que hi ha períodes crítics de plasticitat cerebrals durant la infància, el nostre cervell continua sent plàstic fins i tot a l’edat adulta. La major part de la remodelació de les xarxes neuronals en adults implica el reciclatge de les sinapsis, els punts de connexió entre les neurones.
Les cèl·lules glials també tenen un paper crític en la plasticitat cerebral. De fet, són molt mòbils al cervell i es poden reclutar en llocs concrets del cervell per esculpir connexions sinàptiques.
El processament de la informació sensorial és una característica fonamental del nostre cervell que és crucial per a les nostres accions diàries. La major part d’aquesta funció cerebral més aviat essencial es basa en el rendiment de la seva unitat funcional fonamental composta per la neurona i les seves connexions sinàptiques.
Les principals funcions del cervell
Control del moviment
El control de cada múscul del cos està controlat per les regions motores, en particular la zona de BRODMANN, composta per cèl·lules piramidals. Aquestes cèl·lules nervioses tenen la particularitat de tenir uns axons molt llargs que arriben a la base del cervell on es connecten amb les neurones de la medul·la espinal: les motoneurones. Per tant, cada múscul del nostre cos està controlat pel nostre cervell a través de les neurones de la medul·la espinal. El cerebel coordina els moviments, i altres estructures anomenades ganglis basals ho fan més precís.
Els trastorns motors, anomenats trastorns del moviment, poden tenir diferents orígens patològics.
Malaltia de Parkinson
La malaltia de Parkinson, relacionada amb la destrucció massiva de les neurones dopaminèrgiques, provoca tremolors i rigidesa muscular associada a trastorns de la marxa. A més d’aquest dany neuronal, apareixen grups de proteïnes a les parts inferiors del cervell. S’estenen per arribar a l’escorça cerebral en un estadi més avançat de la malaltia.
El tractament actual de la malaltia de Parkinson utilitza el precursor de la dopamina, derivats d’aquest neurotransmissor, anomenats agonistes, que tenen com a objectiu restablir les concentracions normals de dopamina. En els casos més avançats de la malaltia de Parkinson, es pot considerar un tractament amb estimulació cerebral profunda.
Els tremolors essencials
El tremolor essencial constitueix la patologia més freqüent de les anomenades malalties del moviment anormal. Aquesta malaltia es caracteritza per moviments involuntaris i incontrolables (tremolors) durant el moviment o en repòs. Les extremitats superiors i el coll es veuen afectats amb més freqüència, constituint un handicap per a la vida diària.
Esclerosi múltiple
L’esclerosi múltiple és una malaltia autoimmune que es caracteritza per lesions (plaques) en les quals la funda protectora de les neurones (mielina) es destrueix donant lloc a la degeneració de les cèl·lules nervioses, neurones amb pèrdua de comunicació entre el cervell i els òrgans perifèrics. Els primers símptomes de l’esclerosi múltiple són generalment problemes motors o problemes de visió.
Malaltia de Charcot (ELA)
L’esclerosi la tema amiotròfica o malaltia de Charcot és una patologia neuromuscular progressiva i mortal caracteritzada per una pèrdua de motoneurones, neurones que controlen, entre altres coses, la marxa, la parla, la deglució i la respiració. La malaltia de Charcot o ELA es caracteritza per la mort progressiva de les neurones motores, atròfia muscular i, per tant, paràlisi progressiva dels pacients.
Distonies
Les distonies es caracteritzen per contraccions sostingudes que condueixen a postures anormals, com ara una torsió duradora del coll. Algunes formes més greus es poden generalitzar i afectar les quatre extremitats, impedint la marxa o l’ús de les mans. Aquesta patologia pot tenir un origen genètic o ser símptoma d’una altra patologia neurològica.
Paraplegia espàstica
La paraplegia espàstica forma un grup d’anomalies neurodegeneratives clínicament i genèticament heterogeni. Es caracteritzen per la debilitat i l’espasticitat de les extremitats inferiors, conseqüència clínica de la degeneració dels axons cortico-espinals, fent l’enllaç entre l’escorça cerebral i la medul·la espinal. El símptoma principal de la malaltia és l’espasticitat i la debilitat de les extremitats inferiors que condueixen a greus alteracions de la marxa i pèrdua de sensació. Sovint s’associen danys cognitius i cerebel·losos.
Paràlisi supranuclear progressiva
Les paràlisis supranuclears progressives són malalties neurodegeneratives que s’inicien entre els 60 i 70 anys, i es caracteritzen per una pèrdua d’equilibri que condueix a caigudes, rigidesa muscular, trastorns oculomotors i dèficits cognitius.
Atàxies
Les atàxies cerebel·loses són malalties neurodegeneratives genètiques rares del cerebel i del tronc encefàlic que provoquen nombrosos trastorns motors, que afecten especialment l’equilibri, la marxa i els moviments oculars.
La malaltia de Huntington
La malaltia de Huntington és un trastorn neurodegeneratiu genètic poc freqüent que comença entre els 30 i els 50 anys. Es caracteritza per la mort de les neurones als ganglis basals inicialment i que després s’estén a tot el cervell. Els símptomes són trastorns motors, cognitius i psiquiàtrics progressius que condueixen a una dependència total del pacient.
Síndrome de Gilles de la Tourette
La síndrome de Gille de la Tourette, o síndrome de Tourette, és una patologia neuropsiquiàtrica i del neurodesenvolupament molt heterogènia que es caracteritza per tics, moviments involuntaris sobtats i repetits. Aquests últims apareixen durant la infància, al voltant dels 6-7 anys, i gairebé sempre s’associen posteriorment a símptomes psiquiàtrics.
Trastorn obsessiu compulsiu (TOC)
Els trastorns obsessius compulsius (TOC) són trastorns neuropsiquiàtrics caracteritzats per la presència de conductes repetides, que poden afectar fins a un 5% de la població. L’estudi dels mecanismes cerebrals subjacents a les conductes repetides és fonamental per desenvolupar nous enfocaments per regular-los i millorar així el tractament de totes les patologies implicades.
Consciència
La consciència també és un estat fisiològics del cervell relacionat directament amb l’activitat elèctrica del cervell. Una de les condicions necessàries per a la consciència – és a dir, la capacitat de formular informes subjectius com ara “veig X, recordo Y, estic fent Z,…” – és estar despert. Però això no és suficient, com ho il·lustren certes convulsions epilèptiques o, més dramàticament, estats de vigília sense consciència agrupats sota el nom d’estats vegetatius o coma. Ser conscient requereix específicament el despertar d’una vasta xarxa cortical frontoparietal.
Presa de decisions
La presa de decisions es defineix, segons la teoria establerta, com la capacitat de fer una elecció col·locant les opcions en una escala de valor per tal de seleccionar la millor. El nostre cervell disposa de mecanismes capaços d’implementar aquests processos que utilitzen diverses zones corticals, principalment la regió orbito-frontal (situada sota el front, darrere dels ulls).
L’arbitratge entre dues opcions es basa en la identificació dels costos i beneficis de cadascuna de les alternatives. Per exemple, preferim caminar 10 minuts per veure una molt bona pel·lícula al cinema o quedar-nos asseguts a veure la televisió si el programa és menys interessant?
S’ha establert un vincle entre l’anatomia de determinades regions del cervell i la capacitat de controlar les opcions, en particular quan es prenen opcions d’aliments més o menys saludables.
També s’han posat de manifest els efectes de la fatiga o determinades malalties en les decisions, condicions que poden conduir a biaixos cap a opcions inadequades.
Interaccions socials
Les interaccions socials. El cervell emocional coexisteix amb el cervell racional (escorça prefrontal). És a l’origen dels nostres pensaments, de les nostres accions, dels nostres desitjos i de les nostres motivacions. Situades al centre del cervell, les petites estructures implicades són principalment l’hipotàlem, el nucli accumbens (centre del plaer, pertanyent als ganglis basals) i l’amígdala (centre d’emocions com la por o l’estrés).
El cervell racional adapta constantment el nostre comportament. Les regions que s’utilitzen es troben a l’escorça prefrontal. Aquest últim integra informació sensorial i emocional, organitza accions al llarg del temps, planifica el comportament humà segons el seu entorn.
Degeneració frontotemporal (DFT)
Les degeneracions frontotemporals (DFT) són malalties cognitives i conductuals. Es manifesten en trastorns com l’aparia, la pèrdua de la motivació i l’interès, l’abstinència social i la desinhibició que condueixen a la incapacitat de respectar les normes de vida en societat. Són semblants a la malaltia d’Alzheimer, però són molt més rares, i solen aparèixer entre els 50 i el 65 anys.
Creativitat
La creativitat és la nostra capacitat per produir alguna cosa (una idea, un producte, un servei, una obra, etc.) que sigui original i nova, i alhora adequada al context. La creativitat és essencial per adaptar-nos a noves situacions i problemes, i trobar solucions noves i efectives.
La creativitat es pot considerar com una conducta voluntària dirigida a un objectiu i utilitzant funcions elaborades per manipular i recombinar les nostres idees, alhora que inhibeix propostes inadequades, o com una relaxació de les limitacions i les nostres inhibicions que donen lloc a noves associacions d’idees espontànies.
Aquests dos aspectes espontanis i controlats de la creativitat depenen de l’escorça prefrontal, però impliquen sistemes diferents, un sistema medial i un sistema lateral.
Memòria
La memòria és un aspecte complex del nostre cervell. Hi ha dos tipus de memòria: memòria a curt termini i memòria a llarg termini. Els records s’emmagatzemen primer a les regions implicades en l’experiència inicial i es consoliden durant el son. Després seran recuperats per les neurones del lòbul frontal. Per a la seva construcció, la memòria utilitza el circuit de l’hipocamp i estructures compostes de matèria grisa, situades a la part profunda del cervell.
Malaltia d’Alzheimer
La malaltia d’Alzheimer es caracteritza per al degeneració neuronal derivada de la progressió concomitant de dos tipus de lesions: d’una banda l’acumulació anormal fora de les cèl·lules nervioses d’una proteïna anomenada pèptid ß-amiloide (o p`petid A-beta o pèptid Aß) que condueix a la formació de “plaques amiloides” també anomenades “plaques senils”, i d’altra banda l’acumulació anormal de la proteïna TAU a les neurones que condueix a la seva degeneració.
La pèrdua de memòria és sovint el primer símptoma de la malaltia d’Alzheimer que ajuda a guiar el diagnòstic. Aleshores, es produeixen trastorns de les funcions executives, trastorns de l’orientació espai-temporal. Després, progressivament, trastorns del llenguatge (afàsia), escriptura (disortografia), moviment (apràxia), comportament, trastorns de l’estat d’ànim (ansietat, depressió, irritabilitat) i trastorns del son amb insomni.
Atenció
L’atenció és la capacitat de detectar i respondre a senyals significatius procedents de l’exterior. Així que veus el món amb els teus ulls, però és gràcies a l’atenció que n’ets conscient. Els processos atencionals impliquen grans xarxes que s’estenen des de la regió posterior i parietal fins a la regió anterior i frontal del cervell. Els grans paquets de fibres nervioses connecten aquestes regions entre si i permeten una comunicació ràpida i eficient.
Llenguatge i lectura
El llenguatge i la lectura són funcions cognitives desenvolupades exclusivament en humans. Només els humans tenen àrees corticals adaptades al llenguatge parlat i a la lectura. El llenguatge resulta d’un conjunt de tasques realitzades en diferents regions del cervell: l’àrea de Wernicke (comprensió de paraules) i l’àrea de Broca (producció de paraules) unides entre si per un feix de fibres.
Els trastorns del llenguatge s’anomenen “afàsia”. El llenguatge resulta de la col·laboració d’aquestes múltiples regions, que es comuniquen entre si, situades a l’hemisferi esquerre, i que asseguren la manipulació de sons, paraules i significats. L’aprenentatge de la lectura està fortament influenciat per les regions de l’escorça visual.
Les emocions
Les emocions resulten d’un estat mental subjectiu generalment provocat per un estímul extern. L’alegria, la tristesa, la por, la ràbia, el fàstic i la sorpresa constitueixen les emocions bàsiques. Les emocions bàsiques són l’alegria, la tristesa, la por, la ràbia, el fàstic i la sorpresa.
A questes s’afegeixen les emocions “socials”: vergonya, humiliació, simpatia, orgull, gratitud, menyspreu, etc. El naixement d’una emoció segueix diferents etapes en el sistema nerviós, des de la transmissió d’estímuls fins a la seva recepció per l’escorça i el seu processament en regions específiques com el sistema límbic.
Situades al centre del cervell, les estructures implicades són principalment l’hipotàlem, el nucli accumbens, l’amígdala i l’ínsula així com l’estriat ventral i l’escorça orbito-frontla.
Totes aquestes regions processen la informació sensorial i emocional, organitzen les accions al llarg del temps i planifiquen el comportament en funció del context i de l’entorn social.
Les emocions es distingeixen clàssicament del concepte d’estat d’ànim per la seva menor durada i pel fet que estan fortament vinculades a l’estímul que les va desencadenar. Tanmateix, és probable que hi hagi un continu més que un límit clar entre l’estat d’ànim i les emocions, amb l’estat d’ànim també influenciat pels esdeveniments de la nostra vida.
La depressió
La depressió és una patologia en la qual els símptomes són extremadament variats, com la tristesa excessiva, tant en la seva durada i intensitat com també en la seva adaptació al context. La pèrdua d’interès o plaer i la rumiació de pensaments negatius també són símptomes habituals. També podem trobar tota una sèrie símptomes físics com ara fatiga, desacceleració motora, trastorns del son, o fins i tot trastorns cognitius, dificultats per concentrar-se o prendre decisions.
Només en els últims quinze anys s’ha reconegut realment la depressió com una malaltia cerebral de la mateix manera que les malalties neurològiques com el Parkinson o l’Alzheimer.
Mètodes d’exploració del cervell
Mètodes d’exploració cerebral electrofisiologia
L’electrofisiologia permet l’enregistrament de senyals elèctrics (impulsos nerviosos o potencials d’acció) emesos per les neurones per comunicar-se entre si. Entendre com funciona el cervell en condicions normals és fonamental per entendre i tractar millor les funcions alterades en malalties del sistema nerviós però també per conservar-lo en el seu estat normal. El senyal elèctric transmès per cada neurona després de l’activació és un element clau de l’activitat cerebral que s’altera durant les malalties neurològiques i psiquiàtriques, i sovint és la causa dels dèficits observats.
Neuroimatge
El progrés en neuroimatge durant les últimes dècades ha permès un desenvolupament considerable del coneixement sobre l’anatomia i el funcionament del sistema nerviós. Les tècniques de neuroimatge s’agrupen en dues categories principals:
- Tècniques de neurofisiologia basades en la mesura de l’activitat elèctrica o magnètica de les cèl·lules cerebrals, com l’electroencefalografia (EEG) i la magnetoencefalografia (MEG).
- Tècniques que mesuren indirectament els canvis en l’activitat cerebral mitjançant canvis en la perfusió cerebral o mitjançant la injecció d’una molècula radioactiva, com ara la ressonància magnètica (MRI) i la tomografia per emissió de positrons (PET)
La investigació en neuroimatge a Neurociencia.cat es desenvolupa en tres eixos principals:
- Investigació clínica. Estudi de les principals patologies del sistema nerviós i desenvolupament de tractament innovadors.
- Recerca en ciències cognitives. Entendre com funciona el cervell i estudiar les bases neuronals del pensament, el comportament i l’envelliment.
- Recerca sobre processament de senyals i imatges. Desenvolupament de nous mètodes d’adquisició i processament de dades d’activitat i imatges cerebrals.
Enfocaments moleculars i cel·lulars
Els enfocaments moleculars i cel·lulars s’utilitzen per entendre les bases genètiques, moleculars i cel·lulars del desenvolupament, la funció i la malaltia del sistema nerviós central. Entre ells, trobem especialment:
- Seqüenciació genètica, és a dir, la lectura de les llargues molècules d’ADN que formen els cromosomes. Aquesta lectura permet analitzar el genoma, detectar possibles mutacions gèniques i identificar possibles associacions entre aquestes mutacions i la manifestació de malalties neurològiques.
- Exploracions cel·lulars mitjançant la implantació de cultius cel·lulars fàcilment manipulables per reproduir, de manera simplificada, els mecanismes de les patologies nervioses. Aquest treball requereix registrar l’activitat de les cèl·lules neuronals per avaluar possibles anomalies en la transmissió del senyal elèctric, i manipular cèl·lules “mare” pluripotents per produir autèntiques cèl·lules nervioses o glials. Quan ens interessa el funcionament o la disfunció del conjunt del cervell, les tècniques d’histologia en seccions de teixit permeten avaluar la integritat de poblacions de neurones i cèl·lules glials, dins de diferents regions cerebrals. La visualització de les estructures cerebrals també es pot fer en 3D, sobre teixit cerebral transparent mitjançant una tècnica anomenada clarificació.
- Imatge cel·lular, per observar a escala microscòpica molècules, cèl·lules i seccions de teixit, moviments cel·lulars o fins i tot compartiments dins de les cèl·lules (orgànuls, virus, cristalls, molècules).
Estudiar el cervell utilitzant la intel·ligència artificial
És possible dissenyar nous enfocaments matemàtics i computacionals per a l’estudi de l’estructura del cervell humà i les seves xarxes funcionals. La necessitat de transformar les dades d’imatge en brut en models formalitzats com ara models geomètrics de l’estructura del cervell, models estadístics de poblacions, gràfics de connectivitat és avui fonamental per permetre la definició de nous biomarcadors de patologies, per estudiar les correlacions entre genètica i símptomes o per caracteritzar les respostes funcionals del cervell.