5. El Neurocientista estudia el Sistema
Nervioso y su relación con la conducta y
la cognición
Neurociencia
Cognitiva
Neurociencia
Cognitiva
Neuro-
patologia
Neuro-
patologia
Neuro-
Fisiologia
Neuro-
Fisiologia
Neuro-
endocrinologia
Neuro-
endocrinologia
Neuro-
psycho-
farmacologia
Neuro-
psycho-
farmacologia
NeuroanatomiaNeuroanatomia
NeuroimagenesNeuroimagenes
Neurobiologia
Molecular
Neurobiologia
Molecular
Neuro-
psicologia
Neuro-
psicologia
NeurocienciaNeurociencia
7. ¿Como estudiamos el Cerebro?
Estudio de CasosEstudio de Casos
GeneticaGenetica
ImagineríaImaginería
PETPET
EEGEEG
EstimulaciónEstimulación
MagnéticaMagnética
Transcraneana (Transcraneana (causacausa
disrupción temporal de una regióndisrupción temporal de una región
corticalcortical))
MRIMRI
fMRIfMRI
9. ¿Como se hace posible el Aprendizaje
y la Memoria?
Transducción deTransducción de
Señales:Señales:
Comunicación Interneuronas aComunicación Interneuronas a
través de Neurotransmisores entravés de Neurotransmisores en
el espacio sinápticoel espacio sináptico
Plasticidad Neural:Plasticidad Neural:
A través de la experiencia, lasA través de la experiencia, las
Neuronas pueden cambiar laNeuronas pueden cambiar la
manera como funcionanmanera como funcionan
Potenciación a LargoPotenciación a Largo
Plazo:Plazo:
Mecanismos Celulares a travésMecanismos Celulares a través
de los cuales asociacionesde los cuales asociaciones
pueden detectarse y guardarsepueden detectarse y guardarse
en el cerebroen el cerebro
10. ¿Que estamos haciendo con
nuestros cerebros en estos
momentos?
Sintiendo sus asientosSintiendo sus asientos
MoviéndoseMoviéndose
MirandoMirando
EscuchandoEscuchando
RecordandoRecordando
Prestando AtenciónPrestando Atención
DurmiendoDurmiendo
Sintiendo AngustiaSintiendo Angustia
Sintiendo HambreSintiendo Hambre
¿Que pasa cuando Ud hace una pregunta?¿Que pasa cuando Ud hace una pregunta?
11. Neuroanatomia Funcional
Visita a la Anatomía del Cerebro y
Sistemas Localización / Redes
• Escalas
• Sistema Sensorimotor
• Estados “Mentales”
Sistemas Funcionales Específicos
• Memoria & Emociones
• Visión & Atención, Lenguaje
13. Métodos de estudio de la Función
Cerebral
•Animales & humanos: anatomía & fisiología
•Vías anatómicas, registros de unidades
aisladas
•Pacientes con lesiones focales cerebrales
•Estudios Conductuales & Anatomía post-
mortem
•Imaginería Estructural: In vivo Correlación
estructura/función
• Neuroimaginería Funcional
15. Localización de Funciones en el SNC
Frenológica (Gall, hacia 1800s)
1. El Cerebro es el órgano de la mente
2. La mente esta compuesta de múltiples e innatas
propiedades.
3. Porque son diferentes, cada propiedad debe tener un lugar
único o órgano en el cerebro.
18. Introducción Neurociencia
Oliver Sacks
Oliver Sacks siempre se ha sentido
atraído por las islas, esos
"experimentos de la naturaleza,
lugares benditos y malditos por su
singularidad geográfica, que albergan
formas de vida únicas". Es esta obra,
esa fascinación le lleva a las remotas
islas del Pacífico, donde concilia su
afición a explorar el mundo real con su
pasión por investigar el mundo de la
mente. En esta ocasión abandona
transitoriamente a los individuos y con
herramientas no sólo de neurólogo
sino también de antropólogo, investiga
a grupos de población que han sido
condicionados por un defecto o una
deficiencia psíquica.
19. En Pingelap y Pohnpei, dos
diminutas islas de Micronesia, una
proporción muy elevada de la
población es completamente
ciega al color, al padecer
acromatopsia, una rara
enfermedad hereditaria. Sacks,
acompañado por un amigo
norteamericano oftalmólogo y por
un científico noruego que también
padece esta enfermedad, en la
que el mundo se ve en blanco y
negro con una infinita gama de
grises, visita las islas e investiga
la influencia que esta peculiaridad
de sus habitantes tiene sobre la
vida cotidiana y cómo se refleja
sobre su cultura y sus mitos
20. En Guam, otra isla del Pacífico, existe
una enfermedad neurodegenerativa
que ha sido endémica en los últimos
cien años. El lytico-bodig, como la
denominan los nativos, se presenta de
dos formas: como una parálisis
progresiva, que convierte a quienes la
sufren en estatuas humanas; en otras
ocasiones sus síntomas se parecen a
una enfermedad de Parkinson con
demencia. A pesar de años de
investigación, esta enfermedad
continúa siendo un enigma. Una
hipótesis, nunca probada, la relaciona
con el consumo de harina fabricadas
con el falso "fruto" de las cicas, un
árbol parecido a la palmera, y que
fascina a los botánicos por ser un
auténtico fósil viviente, pues ya existía
en el jurásico, cien millones de años
antes de las palmeras o de cualquier
planta con flores.
21. Los esfuerzos en identificar los factores genéticos implicados han sido
infructuosos. Un reciente avance involucra a una mutación puntual de
una canal calcio/magnesio (TRPM7). Los autores proponen que la
mutación incrementa la susceptibilidad a factores externos que
resultan en la enfermedad.
23. Escuchando colores, saboreando formas
Las personas con SINESTESIA – sentidos que se mezclan – nos otorgan
información valiosa sobre la organizacion y funcion del cerebro humano.
Ramachandran & Hubbard
Cuando Matthew Blakeslee amaza hamburguesas con sus manos, siente un
sabor amargo en su boca.
Esmerelda Jones ve azul cuando escucha la nota C en el piano; otras notas le
evocan diferentes tonos. Las teclas del piano representan un codigo de color,
que facilita el recuerdo de las escalas musicales.
Cuando Jeff Coleman observa números impresos en negro, los ve en diferentes
tonos de color.
Blakeslee, Jones y Coleman son personas que con sinestesia. Ellos
experiencian el mundo de una manera extraordinaria y parecen vivir entre la
fantasia y la realidad. Para ellos los sentidos de tacto, gusto, oido, vision y
olfato se mezclan en vez de mantenerse separados.
Sinestesia fue descrita en 1880, por Francis Galton, un primo de Charles Darwin,
en la revista Nature.
10/63
27. Durante episodios de histeria colectiva, los
individuos
actúan con un estado emocional inusual.
28.
29.
30. Phillipe Pinel (1745-1826) Pionero en hacer mas Humana las
instituciones de salud mental, removiendo cadenas y camisas de
fuerza
31. La Era Moderna
En Neurociencia II estudiaremos las bases
moleculares, anatómicas y fisiológicas para
entender la función del Cerebro
La SINAPSIS es considerada una unidad de
procesamiento inserta en una red compleja
de interacciones SINAPTICAS entre
NEURONAS
Gordon Shepherd en su libro “Fundaciones
de una doctrina de la Neurona” describe las
diferentes etapas (escuelas) que llevaron al
concepto moderno de neurona.
32. Niveles de organización del
Sistema Nervioso Central
Aunque un viaje al nivel reduccionista no siempre
ilumina el “todo”, este es necesario para entender
las bases biológicas de nuestras conductas.
10^11 neuronas y 10^14 sinapsis en 1400 gr de
masa cerebral
En 1891 se formula la doctrina de la Neurona.
Santiago Ramón y Cajal principal arquitecto de la
doctrina de la neurona.
33. La Teoría de la NEURONA
algunos hitos importantes
El microscopio acromático fue introducido
en 1820.
1833 Christian Ehrenberg publica una serie
de vistas de células nerviosas. Plantea que
las fibras nerviosas periféricas eran
extensiones directas de las fibras del
cerebro.
1825 Jan Purkinje, Fisiólogo, inicia sus
primeros estudios sobre el sistema
nervioso.
34. 1836 Gabriel Valentin describe el cuerpo de
las células nerviosas. Una fibra nerviosa
termina en otra sin mantener continuidad.
1837 Purkinje describe los procesos
llamados dendritas y del axón en células
del cerebelo (células Purkinje). 1839
describe el protoplasma.
1838 Robert Remak, describe la mielina y el
axón. 1844 describe las neurofibrillas. 1845
describe las tres capas embrionarias:
ectodermo, endodermo, mesodermo..
23/63
35. 1839 Theodor Schwann Plantea la teoría celular como
principio básico de estudio del SNC.
1870 Camillo Golgi introduce la técnica de tinción con
plata para visualizar el cuerpo y las terminaciones de
neuronas.
1887 Santiago Ramón y Cajal
usa la técnica de Golgi.
1891 Wilhen Waldeyer La célula nerviosa es la unidad
anatómica, fisiológica, metabólica y genética del sistema
nervioso. Define el termino NEURONA. Nace así la
doctrina de la Neurona.
36. En paralelo al desarrollo de esta
doctrina Filósofos e investigadores
planteaban sus diferencias sobre el
origen y función de Mente y Cerebro.
La manera clásica de abordar esta
pregunta es ilustrada en el modelo de
reflejo de Rene Descartes.
1897 Charles Sherrington introduce el
termino de SINAPSIS.
1900- 1909 La doctrina de la NEURONA
es ampliamente aceptada.
37. El circuito reflejo fue
materia de investigación
científica pero no así la
sensación subjetiva de dolor
que acompaña el reflejo.
Se postulaba que el mundo
físico y mental eran materias
separadas.
En los tiempos de Descartes
existían fuertes presiones
políticas y religiosas para
separar la CONCIENCIA del
reino de la ciencia.
38. 1863 Sechenov Escuela Rusa de reflexología estudia
la naturaleza eléctrica cerebral. Nuestros pensamientos
son causados por estimulación sensorial.
1906 Sherrington en su trabajo "Actividad Integrada
del Sistema Nervioso" plantea que la experiencia
subjetiva requiere una organización neuronal y no
refleja.
1949 Donal Hebb En su libro "La organización de la
Conducta” propone el concepto de ensamble de
neuronas y el papel de la experiencia en el desarrollo
de sinapsis.
39. 1950-1960 los neurocientistas comenzaron a
registrar propiedades de neuronas en la corteza
visual y a visualizar con microscopía electrónica
los componentes más pequeños de la Neurona
(Hubel & Wiesel)
Konorski 1967 en su libro "La Actividad
Integrada del Cerebro" enfatiza la complejidad
de los procesos centrales
Luria 1973 "El Cerebro Trabajando" reconoce la
importancia de los procesos de alto nivel en el
lenguaje.
40. NIVELES DE ESTUDIO
DEL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL
• AREAS CORTICALES
• PROTEINAS
• GENES
• NEURONAS
• SINAPSIS
• CONDUCTA
• CIRCUITOS LOCALES
41. Nivel Ciencias Cognitivas
La tomografía de Emisión
de Positrones (PET) permite
visualizar las zonas cerebrales de
mayor actividad. El PET puede
detectar pequeños cambios en el
flujo sanguino que requiere el
funcionamiento de células
nerviosas, axones y dendritas.
30/63
43. El Cerebro esta Compuesto de
Células discretas: Neuronas y Glia
44. NEURONAS
•Composición (núcleo, retículo endoplasmatico..,
dendritas, axón)
•SNC cerca de 100.000 millones de Neuronas
•Diferentes morfologías
•Potencial de Acción
•Transmisión sináptica (hasta 200.000 por Neurona)
•Terminales sinápticos
•Sinapsis químicas
•Vesículas sinápticas
•Neurotrasmisores
•Receptores de los Neurotrasmisores
45.
46.
47. Células gliales (pegamento). 90%
No participa directamente en la señal
eléctrica (aunque…)
Astrocitos (encéfalo, medula espinal)
Oligodendrocitos (mielina). Células de
Schwann (periferia)
Microglia (macrofago)
LA NEUROGLIA
55. -
Cerebro, cerebelo, tronco encefálico y medula espinal
(análisis e integración de la información Sensitivomotora)
Medio
Ambiente
Interno
Externo
Músculos lisos
Cardiacos
Glándulas
Músculos
Esqueléticos
(estriados)
EFECTORES
Receptores sensitivos
(superficie e interior
del cuerpo)
Ganglios
Nervios sensitivos
COMPONENTES
SENSITIVOS
COMPONENTES MOTORES
SISTEMA
AUTONOMO
SISTEMA
MOTOR
SOMATICO
Nervios
motores
(división simpática,
parasimpático, enterica)
Ganglios y
nervios autónomos
SNC
SNP
field began in 1970, when The Society for Neuroscience( professional association of neuroscientists) was founded, incorporating all the various branches.
**Neuropsychology: branch of psychology that deals with the relationship between the nervous system, especially the brain, and mental functions such as language, memory, and perception.
Cognitive neuroscience = understanding the nature of thought. How the brain enables the mind.
1994 –cognitive neuroscience society formed. "Cognitive Neuroscience--With its concern about perception, action, memory, language and selective attention---will increasingly come to represent the central focus of all Neurosciences in the 21st century." -Eric R. Kandel, M.D. (Nobel Laureate) Neuro-pathology: neurological diseases and treatment – alzheimers, parkinsons, MS, etc.
Neuro-Physiology: studies functions of Nerv. System
Neuro-Endocrinology: studies glands and related disorders
Neuropsychopharmacology: R&D of psychoactive drugs to treat neurological disorders – e.g. depression
Neuroanatomy, neuroImagery: pretty obvious.
**Molecular neurobiology: how parts of the nervous system work at the cellular level.
I will be focusing on ***
By implication, neuroscientists study the nervous system. who knows what the nervous system is?
4 brain regions: Parietal lobes , temporal, occipital, Frontal Lobes = abstract reasoning, planning
How exactly does memory occur? After years of study, we can say that “memory involves a persistent change in the relationship between neurons”
the Structures believed to be important for various kinds of learning and memory include the cerebral cortex, amygdala, hippocampus, cerebellum, Areas of the left hemisphere are known to be active in speech and language.
These are some imaging techniques used to study brain-physiology:
(Quick mention):
Case Studies of amnesiacs, epileptilepsy, Agnosia, autism, lesions, etc.
Gene Splicing: involves genetic engineering of animals (rats usually) with specific brain pathologies
Positron Emission Tomography (PET) Scan-radioactive glucose is injected into the blood stream. The most active neurons absorb more of the radioactive glucose, so it is easy to take a picture of the brain's activity during different tasks.
EEG: since brain = 10 billion interconnected nerve cells in ceaseless electrochemical activity, the brain generates brain waves that can be electronically detected and recorded by electroencephalography Magnetic Resonance Imaging (MRI) ScanWith an MRI, high frequency alternating magnetic fields are generated that cause the nuclei of the neurons to line up, this is used more to study morphology, as magnetic sensors then detect the different resonance patterns of nuclei of specific tissues, which are then resolved by computer.
Functional magnetic resonance imaging (fMRI), “based on the fact that oxyhemoglobin, the oxygen-carrying form of hemoglobin, has a different magnetic resonance signal than deoxyhemoglobin. Activated brain areas utilize more oxygen, which decreases the levels of oxyhemoglobin and increases the levels of deoxyhemoglobin, and within seconds the brain microvasculature responds to the local change by increasing the flow of oxygen-rich blood into the active area. This leads to an increase in the oxyhemoglobin-deoxyhemoglobin ratio, which forms the basis for the fMRI signal in this technique. Because of its high spatial resolution (millimeters) and high temporal resolution (seconds) compared to other imaging techniques, fMRI is now the technology of choice for studies of the functional architecture of the human brain.”
CAT: computerized axial tomography = X-ray brain area at different angles, use computer program to make composite.
******
******
Now,
Evidence From PET scans support the idea that there is no “seat of memory” in the Brain. E.g. When you are actively trying to remember something (strategic retrieval= actively searching for a memeory), greater activation is shown in the prefrontal cortex,
but during assosiative (automatic) retrieval – e.g. Who is the current president of the U.S - greater activation occurs in the nearby temporal lobe (hippocampus). Two different brain regions are activated depending on what kind of memory you’re searching for.
The same thing is confirmed by studying different types of amnesiacs. Damage to the right prefrontal results in memory loss + memory error (confabulations), suggesting a role for the pre-frontal area in memory-retrieval. damage to this area also impairs all processes relying on working memory.
Damage to the occipital, temporal lobes impair person’s ability to retrieve specifically visual memories (e.g. what another person’s face looks like), still other forms of remembering seem to rely on still other areas.
So it seems clear so far that no specific brain area handles the sole job of remembering, instead – like most cognitive operations, it requires the close cooperation of many sites, each performing it’s own function.
But how does this communication happen?
Learning is the process which produces memory
Classical: associative learning in which there is no contingency between response and reinforcer. This situation resembles most closely the archetypal experiment from I. Pavlov in the 1920s, where he trained dogs to associate a tone with a food-reward (see figure).
Operant: type of associative learning in which there is a contingency (DEPENDENCE) between the response (LEVER PRESSING) and the presentation of the reinforcer (FOOD).
//Technical explanation(skip): the subject is able to generate certain motor-output, (the behavior B, e.g. running around, cleaning, resting, pressing the lever). The experimenter chooses a suited output (e.g. pressing the lever) to pair it with an unconditioned stimulus (US, e.g. a food reward). Often a discriminative stimulus (SD, e.g. a light) is present, when the R-US contingency is true. After a training period, the subject will show the conditioned response (CR, e.g. touching the trigger) even in absence of the US, if the B-US association has been memorized. Such instrumental or operant conditioning is opposed to Pavlovian or "classical conditioning", where producing a response has no effect on US presentations.
***According to Pavlov, skinner and other early learning theorists, the connections established by classical and Operant (instrumental) conditioning are arbitrary. Just about any conditioned stimulus can become associated with any Unconditioned stimulus , and just about any response can be strengthened by any reinforcer. (skinner was fond of showing people his masochist pigeon). Challenged by fact that animals are biologically prepared to learn certain relations more readily than others, and some forms of learning are species specific.
Transduction:
-Nerve cells, or neurons, in the brain communicate with one another by way of chemical substances called neurotransmitters. When the cell body receives an above threshold stimulus, the neuron fires by transmitting an electrical signal along its axon, triggering the release of neurotransmitters stored in synaptic vesicles at the axon terminal. The neurotransmitters cross the synaptic gap, and bind to receptor molecules. This will cause certain ion channels in the membrane of the second neuron to open or close. E.g. some neurotransmitters open channels to sodium (Na+), decreasing the voltage across the membrane as the ions flood to the other side of it. This makes the membrane less stable, and once the voltage is reduced enough, the excitation threshold is reached and the action potential in the second neuron is triggered, causing the impulse (electrical signal) to speed down the second neuron’s axon, etc.
The opposite effect is also true. I.e. while a large concentration of positively-charged particles entering a receiving neuron tells it to pass on the message, a large concentration of negatively-charged particles entering the receiving neuron will inhibit it from passing on the message.
Somehow, the brain keeps tight control of this message delivery system to avoid communication chaos. A single receiving neuron has thousands of receptor sites and may receive many different signals at once. Each neuron adds up the incoming signals and determines whether or not to pass the information along to other cells.
Neuron communication is under intense investigation by researchers because when it goes out of balance ailments ranging from epilepsy to memory disorders can occur.
Neural Plasticity
Essential discovery to understand how memories can be formed as a result of transduction. It is now believed that learning depends on neural plasticity – the capacity for neurons to change the way they function as a result of experience. This was demonstrated by Eric Kandel in the 60s In a series of landmark studies on a sea slug, Aplysia. It has 20,000 central nervous system cells so big they can be seen without a microscope, yet the animal is capable of simple learning. In trials, the animal is first touched lighly and then shocked at the tail. At first, the touch is not enough to elicit a response, but after enough parings, it is. So the animal has developed, or learned a new conditioned response. What was observed was that the pairings caused the neurons to increase the amount of neurotransmitter each time they fired. So, at the end of the learning, these neurons are able to trigger the response of gill contraction (initially only done by the shock) all by themselves!
Another kind of Plasticity is called Long Term potentiation – b/c the mechanism involves increase in neuron’s potential for firing, and long term b/c this potentiation lasts for days.
Schematically, If neuron A fires over and over, neuron C becomes more responsive to it, but C is also attached to neuron B. If neuron B tends to fire at the same time as A, then C will become more sensitive to it too, spreading potentiation to both A and B, thus in effect we have an association at the molecular level. As you can guess this has many implications for memory drug design as well.
LPT is regarded as the most plausible mechanism for the neural basis of memory. This is because it’s main effect is to increase the sensitivity of the post-synaptic neuron from repeated stimulation, in effect making it “remember” the incoming signal.
This is simply summarized by: “the brain secures learned information by implementing a series of molecular interactions. ”
Now, to remember a list of facts to pass a test, for instance, or even recalling information like your phone number, relies on the formation of "long-term" memories. “How are these formed”? This has been an ongoing area of study, in which there was only recently a major breakthrough.