neurona

Nov

2016

Siete días … 7 a 13 de noviembre (lesiones medulares)

Última actualizacón: 8 octubre 2019 a las 12:13

ÚLTIMAS ANOTACIONES

— Comportamiento animal: uso de herramientas en primates.

NOTICIAS CIENTÍFICAS

Monos paralizados por una lesión medular vuelven a andar

Un equipo científico suizo ha logrado que dos macacos recuperen el control de una pierna paralizada a los seis días de haber sufrido una lesión medular parcial, gracias a una interfaz inalámbrica que restablece la comunicación entre el cerebro y la región dañada de la médula.

El dispositivo decodifica las órdenes cerebrales necesarias para caminar y transmite esta información a la médula espinal a través de electrodos. De esta manera, con una estimulación eléctrica de pocos voltios aplicada en lugares precisos de la médula espinal, se modulan las redes neuronales encargadas de activar los músculos de las piernas durante la locomoción.

Una parte de su dispositivo inalámbrico ha comenzado a probarse en un estudio de viabilidad en humanos con lesión parcial de la médula espinal.

Referencia: Capogrosso, M., et al. (2016), «A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates«. Nature, vol. 539, núm. 7628, p. 284-288.

Noticia en Materia – El País.

LIBRO DE LA SEMANA

Mar

2015

Optogenética: arrojando luz sobre la neurociencia

Última actualizacón: 7 diciembre 2016 a las 13:35

Esta entrada participa en la II edición del Carnaval de Neurociencias

La segunda edición del carnaval de neurociencias nos plantea a los participantes hablar acerca del descubrimiento más importante en la historia de la neurociencia. Estarán de acuerdo conmigo en que elegir el “descubrimiento” más importante de cualquier disciplina científica es un reto abrumador, mayor aún si tenemos en cuenta el campo de la ciencia que estamos tratando. En cualquier caso, aún a riesgo de dejar de lado acontecimientos muy relevantes, he optado por centrar la presente aportación en una técnica relativamente reciente que ha experimentado un avance acelerado y se ha convertido en parte fundamental del trabajo diario en cientos de laboratorios de todo el mundo. Voy a hablar de la optogenética.

Desde que D. Santiago Ramón y Cajal revolucionara la neurociencia con sus trabajos de tinción de neuronas, demostrando que el tejido cerebral está compuesto por células individuales —lo que ha venido a llamarse “doctrina de la neurona”—, los investigadores han asumido que para entender la forma en la que nuestro cerebro procesa la información que recibe de los sentidos, es capaz de pensar o memorizar, es preciso conocer a fondo los circuitos neuronales. Hoy en día somos capaces de visualizar poblaciones enteras de células y las conexiones sinápticas que se forman entre ellas, pero la dificultad reside en saber cómo se transmite la información a través de las sinapsis individuales, y la forma en la que los diferentes tipos de neuronas y sus conexiones dan lugar a las redes funcionales que llevan a cabo tareas como recordar dónde hemos dejado el coche, saber si un café está demasiado caliente o comprender que alguien nos está gastando una broma.

La forma habitual de afrontar este problema ha partido de identificar qué neuronas se activan al mostrar al sujeto de estudio una imagen, un sonido o un aroma. A continuación se determina el trayecto que sigue la señal y se miden las señales eléctricas detectadas en esas posiciones. Conocidos estos datos podemos concluir que esas neuronas están directamente implicadas en el procesamiento de la información percibida.

Pero ahora sabemos que las señales sensoriales sufren importantes cambios mientras se alejan de los ojos, oídos o nariz, lo que aumenta la dificultad para saber qué señales corresponden a las respuestas de tales órganos.

Por otro lado, nuestra capacidad para comprender los circuitos neuronales ha mejorado de forma notable gracias a la resonancia magnética funcional (RMf). Esta técnica proporciona mapas detallados de la actividad neuronal en respuesta a diversos estímulos, aunque en realidad solo muestra los cambios en los niveles de oxígeno de la sangre de diferentes regiones del cerebro, cambios que representan sólo de forma aproximada la verdadera actividad neuronal…

Francis Crick hizo esta afirmación en un artículo publicado en 1979 ¹. Para él, la mayor dificultad a la que se enfrentaba la neurociencia era poder ejercer el control sobre un cierto tipo de neuronas sin afectar a otras para comprender su funcionamiento. Los métodos disponibles hasta el momento no permitían ni de lejos ese tipo de detalle. Por ejemplo, los estímulos eléctricos (mediante electrodos implantados en el cerebro) actúan sobre todas las neuronas sin distinguir entre tipos celulares. La idea que planteó Crick hace más de 30 años ya es una realidad.

Karl Deisseroth ², uno de los inventores de esta técnica, explica que la optogenética combina los conocimientos en genética y óptica para controlar sucesos específicos en el interior de determinadas células de un tejido vivo (no solo de las neuronas) mediante la inserción de unos genes concretos que las convierten en fotosensibles. La optogenética comprende además las técnicas que permiten suministrar luz al cerebro, dirigir el efecto de la luz hacia los genes y células de interés y la evaluación de los resultados.

Los principales investigadores en este campo han sido galardonados con importantes premios, y en 2010 la propia técnica fue elegida método del año por la prestigiosa revista Nature Methods, y uno de los principales descubrimientos de la década.

¿Qué es la optogenética?

El funcionamiento del cerebro (y con él, del sistema nervioso central) depende de la conectividad de las neuronas operada a través de mensajes bioquímicos o eléctricos: la transmisión eléctrica se basa en la generación de potenciales de acción; mientras que la transmisión bioquímica descansa en la liberación de neurotransmisores.

No profundizaremos mucho en este mecanismo pero para entender la utilidad de la optogenética es necesario conocer, al menos de forma elemental, cómo se produce esa transmisión de información. Su propagación se debe a la diferencia de potencial que se genera por las distintas concentraciones de iones a ambos lados de la membrana celular (principalmente iones de Sodio (Na+) Potasio (K+), Calcio (Ca2+), Magnesio (Mg2+) y Cloro (Cl-). De esta forma, se origina una diferencia de carga eléctrica de unos -70 mV (denominado potencial de reposo).

Cuando se aplica un estímulo sobre una neurona se produce una entrada masiva de cationes de Sodio y Calcio en la neurona, mientras que el Potasio sale de ella. Esto se traduce en un cambio muy rápido en la polaridad de la membrana de negativo a positivo y vuelta a negativo, en un ciclo que dura unos milisegundos. La diferencia entre ambos estados es aproximadamente de 120 mV y ello genera (o dispara) un potencial de acción que se transmite a lo largo del axón neuronal (para hacernos una idea, este voltaje es menos de la décima parte del que posee una pila LR06 de las que tenemos en casa).

Cuando ese potencial de acción alcanza la terminación del axón provoca que las vesículas cargadas con neurotransmisores (los mensajeros bioquímicos) liberen su contenido al espacio extracelular.

El inconveniente a la hora de estudiar este complicado proceso surge porque el tejido neuronal está formado por células de varios tipos. Dado que las interacciones entre los tipos concretos de neuronas es la base del procesamiento de la información nerviosa, si queremos comprender el funcionamiento de un circuito específico tendremos que ser capaces de identificar y observar cada participación individual y señalar en qué momento se activan (generan un potencial de acción) y se desactivan. Lograr esto con las técnicas anteriores era imposible.

Pero ¿y si fuera posible ver esa comunicación neuronal individualizada? La optogenética nació cuando se cayó en la cuenta de que la manipulación genética podía ser la clave para resolver el problema que planteaba la tinción o estimulación indiscriminada de neuronas. Aunque todas las células de un individuo tienen los mismos genes, su activación o desactivación sigue unas pautas concretas en función de la ubicación y función de cada célula.

Con estas palabras definió el equipo del doctor Karl Deisseroth el término “optogenética” cuando lo utilizó por primera vez en un artículo publicado en el año 2006 en el Journal of neuroscience ³.

Y lo cierto es que el mecanismo parece sencillo. Lo primero que necesitamos es hacer que nuestras neuronas objetivo sean sensibles a la luz. Desde hace unos cuarenta años se sabe que algunos microorganismos producen proteínas que regulan el flujo de cargas eléctricas (los famosos iones de los que hemos hablado) a través de sus membranas en respuesta a la luz visible. Estas proteínas, cuya síntesis depende de un conjunto de genes de opsinas, ayudan al microorganismo a extraer energía e información de la luz del entorno, y ahora nos ayudan a nosotros a desentrañar los misterios de nuestro sistema nervioso. Los distintos tipos de opsinas se diferencian en cuanto a la fotosensibilidad y al comportamiento.

Adaptado de Zhang, F., et al. (2010) y Deisseroth, K. (2011).

Chlamydomonas reinharatii es un alga unicelular móvil, dotada de un par de flagelos que le permiten nadar en agua dulce. Volvox carteri es un alga estrechamente relacionada con Chlamydomonas y posee cientos de células que adoptan la forma de una colonia globular. Por último, Natronomonas pharaonis es una arqueobacteria que vive solo en aguas hipersalinas.

En la imagen superior vemos como la canalorrodopsina ChR2 permite el paso de los iones de sodio en respuesta a la luz azul. La canalorrodopsina VChR1 responde a algunas longitudes de onda de la luz amarilla y verde, mientras que la halorrodopsina NpHR regula el flujo de iones de cloro en respuesta a la luz amarilla.

Una vez que disponemos de los genes de opsinas y conocemos su funcionalidad, el siguiente paso es insertarlos en las neuronas diana con la ayuda de virus modificados que actúan como vectores. Primero se combina un gen de opsina con un promotor (el elemento que hará que el gen se active únicamente en un tipo de célula específico). En segundo lugar se introduce el gen modificado en un virus que a su vez se inyecta en el cerebro, por ejemplo, de un ratón de laboratorio. El virus infectará un gran número de neuronas, pero gracias al promotor (que se convierte así en una especie de guía laser), sólo un tipo de ellas sintetizará la proteína opsina. No tenemos más que desencadenar la actividad neuronal mediante destellos de luz y observar los efectos en el comportamiento de los animales de experimentación.

Adaptado de Hausser, M. (2014).

La optogenética se puede aplicar en todos los niveles de la función cerebral. Una variedad de aplicaciones utilizan sondas optogenéticas tanto para leer como manipular la actividad, lo que proporciona una poderosa herramienta para establecer vínculos causales entre estos niveles.

Además, las ventajas de usar la luz como desencadenante son evidentes: no es invasiva, se puede dirigir con gran precisión espacial y temporal, y se puede utilizar de forma simultánea en diferentes localizaciones y longitudes de onda. De hecho, se han identificado un grupo de proteínas que permiten la activación o inactivación de distintas neuronas con milisegundos de precisión.

Por ello, gracias a este “interruptor genético” accionado por la luz podemos encontrar todas las neuronas que nos interesen (las que producen dopamina, por ejemplo) y controlarlas sin necesidad de saber de antemano dónde están.

Su importancia para la sociedad

La optogenética se ha empleado en diversos modelos animales para cartografiar las proyecciones neuronales, examinar la plasticidad neuronal y llevar a cabo simulaciones en los circuitos relacionados con diferentes enfermedades.

Esta técnica ha traído consigo por ejemplo una importante mejora de nuestro conocimiento sobre la enfermedad de Parkinson. Algunos pacientes con Parkinson han experimentado cierto alivio de los síntomas gracias a la estimulación cerebral profunda, una técnica que aplica una estimulación eléctrica leve de alta frecuencia en una zona específica del tálamo —el globo pálido o el núcleo subtalámico— por medio de un electrodo implantado en el encéfalo. Su función es enviar una señal eléctrica a estas áreas específicas del cerebro que controlan el movimiento, bloqueando de esta forma las señales nerviosas anormales.

Sin embargo, se ha comprobado que las ventajas de esta técnica son limitadas porque los electrodos estimulan también las neuronas colindantes de forma no selectiva incluso cuando los electrodos se colocan con precisión milimétrica. Esta electroestimulación puede modular células mucho más distantes al actuar sobre las fibras de paso, y desconocemos los efectos que esto puede tener a largo plazo.

La optogenética ha permitido comprender (aunque todavía en modelos animales) que la estimulación cerebral profunda resulta más efectiva cuando no va dirigida a las células sino a las conexiones entre ellas, lo que modifica el flujo de actividad entre las regiones del cerebro. Gracias a la precisión que ofrece ha sido posible realizar una cartografía funcional de dos rutas diferentes en los circuitos cerebrales vinculados al movimiento: una que ralentiza los movimientos y otra que los acelera. Este conocimiento podría contrarrestar los síntomas de la enfermedad de forma más efectiva y duradera.

Conclusiones

Como sucede siempre que se abre un nuevo campo de investigación, la mejora pareja de la tecnología amplía enormemente su potencial. Por ejemplo, se han desarrollado instrumentos para medir las señales eléctricas obtenidas mediante optogenética —con una precisión de milisegundos— en los que se han integrado fibra óptica y electrodos (llamados “optodos”). Del mismo modo, el uso conjunto de la optogenética y la RMf permite cartografiar circuitos neuronales funcionales con una precisión y una integridad imposibles de conseguir mediante electrodos o medicamentos.

Así, al conocer la forma de actuación de los circuitos neuronales sanos, se podrá aplicar ingeniería inversa para identificar las propiedades alteradas en las enfermedades psiquiátricas y neurológicas, con lo que se facilitará el desarrollo de tratamientos que restablezcan la normalidad en esos circuitos.

En definitiva, como sostiene Deisseroth, la optogenética está contribuyendo a que la psiquiatría adopte un enfoque próximo a la ingeniería de redes, en el que las funciones complejas del cerebro (y los comportamientos que generan) se interpretan como propiedades del sistema que surgen de la dinámica electroquímica de las células y de los circuitos que lo componen. Ahora podemos comprender de forma más completa los mecanismos subyacentes a trastornos como la ansiedad o el autismo, lo que sin duda facilitará la búsqueda de soluciones terapéuticas.

Referencias

Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Working Group Report to the Advisory Committee to the Director, NIH

Crick, F. H. (1979), «Thinking about the brain». Scientific American, vol. 3, núm. 241, p. 219-232.

Deisseroth, K., et al. (2006), «Next-generation optical technologies for illuminating genetically targeted brain circuits«. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience, vol. 26, núm. 41, p. 10380-10386.

Deisseroth, K. (2011), «Control del cerebro por medio de la luz». Investigación y Ciencia, núm. 412, p. 22-29.

Ferrús, A. (2007), Viaje al universo neuronal: unidad didáctica. Madrid: Fundación Española para la Ciencia y la Tecnologia, 276 p.

Hausser, M. (2014), «Optogenetics: the age of light«. Nat Meth, vol. 11, núm. 10, p. 1012-1014.

Nan, L. y Peng, M. (2014), «Let there be light: a tutorial on optogenetics«. Pulse, IEEE, vol. 5, núm. 4, p. 55-59.

Reiner, A. y Isacoff, E. Y. (2013), «The Brain Prize 2013: the optogenetics revolution». Trends in Neurosciences, vol. 36, núm. 10, p. 557-560.

Zhang, F., et al. (2010), «Optogenetic interrogation of neural circuits: technology for probing mammalian brain structures«. Nature protocols, vol. 5, núm. 3, p. 439-456.

Notas

Crick, F. H. (1979), «Thinking about the brain». Scientific American, vol. 3, núm. 241, p. 219-232. ↩
Deisseroth, K. (2011), «Control del cerebro por medio de la luz». Investigación y Ciencia, núm. 412, p. 22-29. ↩
Deisseroth, K., et al. (2006), «Next-generation optical technologies for illuminating genetically targeted brain circuits«. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience, vol. 26, núm. 41, p. 10380-10386. ↩

Mar

2014

Siete días … 10 a 16 de marzo (Little foot)

Última actualizacón: 24 septiembre 2017 a las 12:59

BIOLOGÍA

Los elefantes del Parque Nacional Amboseli (Kenia, África) diferencian a sus enemigos por la voz. Estos animales reconocen a los varones de la tribu masái –su principal amenaza humana en esta región– y responden ante ellos con un comportamiento defensivo, incluso aunque se hagan pasar por mujeres.

“Reconocer a los depredadores y juzgar el nivel de amenaza que poseen es una habilidad crucial para muchos animales salvajes”, indica Karen McComb, líder del estudio.

Según los investigadores, la capacidad de discriminar la amenaza real de la aparente tiene un impacto importante ya que evita interrupciones repetidas de la alimentación y reduce el estrés fisiológico del animal.

En su trabajo de campo, los científicos grabaron una misma frase: “Mira, mira por allá, un grupo de elefantes se acerca”, en los idiomas maternos de dos tribus, la masái y la kamba. Registraron un total de 25 voces de hombres y mujeres de la tribu masái –tanto de adultos como de jóvenes–, y también registraron diez voces de adultos machos de la etnia kamba.

“Los masái pastan su rebaño por el Parque Amboseli y, por lo tanto, tienden a encontrarse más con elefantes que los miembros de la tribu kamba, cuya actividad principal se basa en la agricultura de parcelas afincadas lejos del parque”, declara Graeme Shannon, uno de los autores del estudio.

Los resultados del experimento mostraron que estos gigantescos mamíferos tenían un comportamiento más defensivo, como agruparse o husmear, ante las grabaciones de los hombres de la tribu masái, que cuando oyeron a mujeres y niños de esta etnia, o a hombres de la tribu kamba.

Trabajos previos estudiaron el comportamiento de estos paquidermos ante estímulos visuales y olfativos. Según los científicos, los elefantes tenían también más miedo cuando se encontraban con ropa de color rojo y olor típico de la tribu de los masái, que con las prendas de los kamba.

Shannon concluye: “Con las señales acústicas, los elefantes reconocen la etnia, la edad y el género de un predador potencial. Esta es una ventaja a sistema de defensa y lo hace más efectivo. Muy útil cuando el depredador se encuentra fuera del campo de visión”.

• Noticia Agencia SINC

• Artículo: Elephants can determine ethnicity, gender, and age from acoustic cues in human voices.

EVOLUCIÓN HUMANA

‘Little Foot’ se convierte en el australopitecus completo más antiguo. Después de trece años de excavación meticulosa del esqueleto fósil casi completo de australopitecus llamado Little Foot (Pié Pequeño), científicos sudafricanos y franceses han demostrado de manera convincente que es probable que tenga alrededor de 3 millones de años.

En un artículo publicado recientemente, los últimos hallazgos del profesor Ron Clarke de la Universidad de Witwatersrand y sus colegas refutan afirmaciones anteriores de que estos restos corresponden a un espécimen más joven, como resultado de un estudio detallado de la estratigrafía, microestratigrafía, y geoquímica en todo el esqueleto.

En 1997, Ron Clarke, Stephen Motsumi y Nkwane Molefe de la Universidad de Witwatersrand, descubrieron un esqueleto casi completo de australopitecus con el cráneo incrustado en el sedimento calcificado en una cámara subterránea de las cuevas. Comenzaron a excavar cuidadosamente este esqueleto con el fin de entender los procesos que contribuyeron a su conservación.

Esta fue la primera vez que una excavación de un australopitecus ha tenido lugar en un antiguo depósito calcificado. Durante el transcurso de esta excavación, se hizo evidente que el esqueleto había sido sometido a una perturbación y al colapso parcial en una cavidad inferior y que un fluido calcáreo había llenado posteriormente los huecos formados alrededor de los huesos desplazados.

A pesar de este hecho, otros investigadores dataron las coladas y afirmaron que dichas fechas representan la edad del esqueleto. Esto ha creado la falsa impresión de que el esqueleto es mucho más joven de lo que realmente es.

Pero ahora, un equipo francés de especialistas en el estudio de cuevas de piedra caliza han demostrado que las coladas que llenaron los huecos se formaron por una antigua erosión y colapso, y que, por tanto, el esqueleto es más antiguo. Pie Pequeño tiene, probablemente, alrededor de 3 millones de años, y no los 2,2 millones de años que han sido injustamente reclamados por otros investigadores. El esqueleto ha sido totalmente excavado de la cueva y el cráneo, los brazos , las piernas, la pelvis y otros huesos se han limpiado en gran medida.

• Noticia Europa Press

• Artículo: Stratigraphic analysis of the Sterkfontein StW 573 Australopithecus skeleton and implications for its age.

NEUROCIENCIA

Investigadores españoles han observado un mecanismo desconocido hasta ahora por el que los axones, la parte de las neuronas especializada en conducir el impulso nervioso, son guiados a través del sistema nervioso en desarrollo hasta su destino. La molécula FLRT3 es clave para modular el comportamiento de estos axones en ese proceso.

El estudio desvela el mecanismo molecular que ocurre en el interior de los axones en crecimiento que permite respuestas rápidas a factores repulsivos y atractivos necesarios para alcanzar su destino.

El funcionamiento del sistema nervioso central se basa en el establecimiento de largos tractos axonales que crecen siguiendo complejas trayectorias. Estos tractos axonales están compuestos de haces de axones que permiten a las neuronas contactar con otras neuronas del sistema nervioso.

La proyección talamocortical constituye una de las conexiones más importantes del cerebro, ya que transmite la información de los órganos sensoriales hasta la corteza cerebral, donde la integración de esta información da lugar a la percepción y a la generación de respuestas adecuadas a los estímulos internos y externos.

El desarrollo aberrante de esta conexión podría estar implicado en algunas enfermedades neurológicas como el autismo o la epilepsia. Comprender el desarrollo temprano de la proyección talamocortical es un desafío fundamental para la neurociencia.

La investigadora Guillermina López Bendito explica en la nota de prensa del Instituto de Neurociencias que “los axones en crecimiento poseen una estructura muy dinámica en su extremo llamada cono de crecimiento que explora el entorno extracelular en busca de señales que indiquen al axón la dirección en la que debe crecer. Estas señales, llamadas moléculas de guía axonal, pueden estar fijas a un sustrato o ser difusibles, y pueden atraer o repeler a los axones. Los conos de crecimiento contienen receptores que reconocen estas moléculas de guía y traducen la información en una respuesta direccional”.

Mediante la combinación de estudios de bioquímica, biología molecular y genética, los investigadores han demostrado que la respuesta atractiva a la molécula de guía axonal Netrina1 está controlada por una proteína denominada FLRT3. Esta proteína regula la abundancia del receptor de Netrina1, denominado DCC, en la membrana celular. FLRT3 no se expresa en todos los axones en desarrollo sino en aquellos que requieren una regulación dinámica de la atracción por Netrina1.

La presencia o ausencia de FLRT3 es crucial para determinar la trayectoria de los distintos axones y las neuronas con las que conectan. De esta manera, conexiones axonales que se caracterizan por una organización espacial topográfica precisa, como la conexión talamocortical, se aseguran un desarrollo correcto durante la fase embrionaria.

Cada neurona del tálamo proyecta el axón hacia su respectiva área de la corteza cerebral y no a otras. “Demostramos que las proyecciones del tálamo que necesitan ser atraídas hacia zonas anteriores del cerebro expresan FLRT3, mientras que las que conectan con otras regiones no lo expresan”.

• Noticia Tendencias21

• Nota de prensa del Instituto de Neurociencias

• Artículo: FLRT3 is a Robo1-interacting protein that determines Netrin-1 attraction in developing axons

PALEONTOLOGÍA

Descubierto un tiranosaurio enano adaptado al frío del Ártico. El Tiranosaurio Rex tenía un primo enano adaptado a vivir en el Ártico. Su cráneo medía poco más de 60 centímetros de largo frente al metro y medio del carnívoro más famoso entre los dinosaurios y sería un animal adaptado a vivir en las condiciones difíciles del extremo Norte. A esta conclusión llegan los paleontólogos que han analizado unos fósiles del cráneo de un dinosaurio de hace 70 millones de años hallados en el Norte de Alaska y que, dadas sus características, incluyen en la familia de los tiranosaurios, aunque se trate, afirman, de una especie nueva que han bautizado Nanuqsaurus hoglundi.

“El tiranosaurio pigmeo por sí mismo es realmente genial porque nos dice algo acerca de cómo era el medio ambiente en el Ártico en el pasado remoto, pero lo que hace más interesante este descubrimiento es el hecho de que el Nanuqsaurus hoglundi también nos dice algo acerca de la riqueza biológica del antiguo mundo polar durante un tiempo en que la Tierra era muy templada en comparación con ahora.

Aunque el Ártico tuviera un clima más benigno que ahora hace 70 millones de años, la región estaba sometida a profundos cambios estacionales del régimen de luz, con inviernos oscuros y veranos de largos días. Muchos vertebrados se adaptan a vivir en regiones con fuerte variabilidad estacional que supone una época de disponibilidad de alimentos y otra de escasez o incluso ausencia; el truco está en almacenar reservas en la primera para sobrevivir en la segunda. Se sabe que los vertebrados modernos afrontan esas condiciones a través de cambios adaptativos fisiológicos o de comportamiento respecto a sus parientes de zonas menos extremas. Tal vez los dinosaurios funcionaran igual, señalan los investigadores de Texas, y el pequeño tamaño del N. hoglundi en comparación con sus gigantescos primos, la masa corporal reducida, sería una adaptaciones a la menor disponibilidad de alimentos y a las variaciones de temperatura.

Los fósiles del nuevo tiranosaurio fueron recogidos en el norte de Alaska en 2006 y estaban incrustados en bloques de roca; se llevaron al Museo de Dallas y donde los especialistas los sacaron y limpiaron. Actualmente se exponen en dicha institución. Son tres piezas de un cráneo incompleto: un fragmento del maxilar, otro de la parte superior del cráneo y el tercero de la cara.

• Noticia El País

• Artículo: A Diminutive New Tyrannosaur from the Top of the World (descarga directa en formato PDF)

FÍSICA

Científicos de la Universidad Nacional de Singapur han creado un dispositivo que convierte en térmicamente invisibles a personas u seres u objetos, es decir, que elimina o camufla el calor que emiten y que puede ser detectado por otros. Para ello utiliza materiales naturales, por lo que resulta rentable y fácilmente escalable.

El equipo ha investigado cuidadosamente su dispositivo en condiciones tanto dependientes del tiempo como de la temperatura y ha descubierto que posee un excelente rendimiento termodinámico.

Su investigación también ha introducido una nueva dimensión en el campo emergente de la «fonónica», que es el control y la manipulación del flujo de calor con los fonones (partículas que transmiten el calor dentro de los materiales sólidos).

Una aplicación derivada de la investigación, señala Qiu, sería la gestión del calor de circuitos electrónicos, interconectores y baterías muy compactados.

• Noticia Tendencias21

• Artículo: Experimental Demonstration of a Bilayer Thermal Cloak

• Artículo: Full Control and Manipulation of Heat Signatures: Cloaking, Camouflage and Thermal Metamaterials

CIENCIAS PLANETARIAS

Utilizando el telescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) situado en el norte de Chile, un equipo de astrónomos ha anunciado hoy el descubrimiento de una inesperada aglomeración de monóxido de carbono en el polvoriento disco que rodea a la estrella Beta Pictoris. Esto supone una sorpresa, ya que se supone que este tipo de gas es rápidamente destruido por la luz de la estrella. Algo —probablemente numerosas colisiones entre pequeños objetos helados como cometas— puede estar haciendo que el gas siga reponiéndose continuamente.

Beta Pictoris, una estrella cercana fácilmente visible a ojo en el cielo austral, ya es aclamada como el arquetipo de sistema planetario joven. Se sabe que alberga un planeta que orbita a unos 1.200 millones de kilómetros de su estrella, y fue una de las primeras estrellas descubiertas rodeada por un gran disco de restos polvorientos.

Nuevas observaciones llevadas a cabo con ALMA muestran que el disco está impregnado de monóxido de carbono. Paradójicamente, la presencia de monóxido de carbono, tan nocivo para los seres humanos en la Tierra, podría indicar que el sistema planetario de Beta Pictoris podría convertirse en un buen hábitat para albergar vida. El bombardeo de cometas que están sufriendo sus planetas puede estar proporcionándoles agua, lo que podría permitir el desarrollo de vida.

Pero el monóxido de carbono se descompone rápidamente y con facilidad por la luz de las estrellas: solo puede durar unos 100 años en las zonas del disco de Beta Pictoris donde ha sido observado. Encontrarlo en el disco de Beta Pictoris, de 20 millones de años, es una sorpresa total. ¿De dónde proviene y por qué está aún ahí?

“A menos que estemos viendo a Beta Pictoris pasando por un momento muy inusual, el monóxido de carbono debe estar siendo repuesto de manera continua”, afirma Bill Dent, astrónomo de ESO en la Oficina Conjunta de ALMA (Joint ALMA Office, Santiago, Chile) y autor principal del artículo publicado hoy en la revista Science. “La fuente más abundante de monóxido de carbono en un sistema solas joven son las colisiones entre cuerpos helados, desde cometas hasta objetos mayores, de tamaño planetario”.

Se han planeado observaciones posteriores con ALMA, que aún no ha alcanzado el cien por cien de sus capacidades, aún en desarrollo, con el fin de arrojar más luz sobre este misterioso sistema planetario, ayudando así a comprender qué condiciones se dieron durante la formación de nuestro Sistema Solar.

• Noticia ESO (European Southern Observatory)

• Artículo: Molecular Gas Clumps from the Destruction of Icy Bodies in the β Pictoris Debris Disk

INGENIERÍA

Investigadores del CSIC y la Universidad Politénica de Valencia han creado una célula solar de silicio que transforma en electricidad la radiación infrarroja. Los resultados de la investigación podrían servir para crear células fotovoltaicas de alto rendimiento.

El Sol es una fuente inagotable de energía que de ser bien explotada podría solucionar muchos de los problemas energéticos actuales. El dispositivo capaz de realizar la conversión de luz solar en electricidad es la célula fotovoltaica, comúnmente conocida como célula solar.

Pero existen diversos obstáculos que impiden una mayor generalización de su uso, entre ellos un coste relativamente alto (del orden de 20 céntimos de euro por vatio producido) y una eficiencia baja, por debajo del 17 por ciento. Esto quiere decir que de cada vatio que recibimos del Sol, sólo a aprovechamos una pequeña parte, los 0,17 vatios que corresponden al espectro visible.

El motivo de la baja eficiencia de las células fotovoltaicas convencionales reside en que los materiales básicos para su fabricación, como el silicio, son baratos de producir, pero sólo pueden absorber y aprovechar una pequeña parte del espectro solar. El resto de la radiación solar, que corresponde a la zona infrarroja, no es aprovechada y se pierde.

El nuevo trabajo, en el que también han participado otros grupos del CSIC, la UPV, la UPC y la Universidad Rovira i Virgili de Tarragona, supone un nuevo enfoque científico para poder desarrollar en el futuro células fotovoltaicas de alto rendimiento.

• Noticia Agencia SINC

• Artículo: All-silicon spherical-Mie-resonator photodiode with spectral response in the infrared region (descarga directa en formato PDF)

HISTORIA

El láser y el radar desvelan los secretos de los puentes romanos. Descubrir arcos ocultos, visualizar el perfil alomado de la época medieval, localizar un grabado renacentista sobre un arco romano o detectar restauraciones. Estos son algunos de los resultados obtenidos por investigadores de la Universidad de Vigo tras analizar más de 80 puentes romanos y medievales con la ayuda de un georradar, un escáner láser y modelos matemáticos, una tecnología que ayuda a su conservación.

En los últimos años la UNESCO y otras organizaciones preocupadas por la conservación del patrimonio histórico y cultural han destacado la importancia de utilizar métodos no destructivos para documentar las características de los monumentos y evaluar su estado de conservación. En esta línea, investigadores del grupo de Geotecnologías Aplicadas de la Universidad de Vigo han utilizado láser y radar para, mediante rayos de luz y ondas, estudiar cerca de 85 puentes antiguos en el noroeste de España. El último, el de Monforte de Lemos, en Lugo.

El georradar o radar de subsuelo (GPR, por sus siglas en inglés) está constituido por una antena –que emite y recibe pulsos de corta duración–, una unidad de control y un ordenador. El conjunto se puede montar en una especie de carrito, donde va instalado el sistema, o en un vehículo móvil de inspección para ir tomando los datos sobre la calzada del puente.

“La información de este sistema se complementa con la que ofrece el LiDAR o láser escáner terrestre, cuyo haz barre todo el puente para tomar en unos minutos las coordenadas X, Y, Z de millones de puntos del monumento”, señala Solla. El resultado es una nube de puntos, a partir de la que se pueden obtener planos detallados y modelos en 3D del puente.

De esta forma se han detectado detalles estructurales y geométricos desconocidos, incluso grietas, en muchas de las construcciones. En algunos casos, como en el del puente romano de Segura, entre los municipios de Piedras Albas (Cáceres) y Segura (Portugal), esta tecnología también ha servido para detectar los restos de un grabado renacentista en uno de los arcos.

Según Solla, “toda esta información tiene un interés histórico, pero también es útil para que los ingenieros civiles planifiquen las medidas de conservación, mejora y restauración en este tipo de infraestructuras”.

• Noticia Agencia SINC

• Artículo: Ancient Stone Bridge Surveying by Ground-Penetrating Radar and Numerical Modeling Methods

ARQUEOLOGÍA

La localidad 1 de Zhoukoudian, en el norte de China, ha sido ampliamente conocida desde 1920, por el descubrimiento del ancestro humano del Pleistoceno Medio, Homo erectus pekinensis (conocido como el Hombre de Pekín). Desde 1931, la consideración de que los homínidos de Zhoukoudian podían usar y controlar el fuego había llegado a ser ampliamente aceptada. Sin embargo, algunos análisis habían puesto en duda esta afirmación, pues el agregado silíceo (una fase insoluble de la ceniza quemada) no estaba presente en los restos de cenizas recuperados en el yacimiento.

Ahora, nuevos análisis sobre cuatro muestras de cenizas recuperadas en diferentes ubicaciones de la localidad 1 de Zhoukoudian, durante las excavaciones llevadas a cabo en 2009, presentan evidencias del uso controlado del fuego por parte del Hombre de Pekín

Con el fin de examinar si el agregado silíceo y el potasio estaban presentes en la fase insoluble de la ceniza, Gao Xing y su equipo recogieron cuatro muestras en diferentes ubicaciones del yacimiento: una muestra del nivel estratigráfico 6 (ZKD4) y tres del nivel 4 (ZKD1, ZKD2, y ZKD3). Una vez que la presencia de agregados silíceos y de potasio son identificados en los depósitos de ceniza, la utilización, in situ, del fuego se puede extrapolar.

Los análisis detectaron un gran número de aglomerados sinterizados en las fases insolubles residuales de las muestras. Además, indicaban que los elementos asociados a los agregados silíceos (Al, Si, K y Fe) estaban presentes en las cuatro muestras. El análisis de la composición del material mostró que las sustancias de las fases insolubles de la ceniza eran principalmente SiO2, C elemental y silicatos. El carbono elemental estaba presente en la ceniza, y las fases insolubles contenían de un 1,21% a 2,94% de peso de K elemental. Por lo tanto, los resultados de las pruebas indican claramente la presencia de C elemental, de K elemental y de áridos silíceos en las fases insolubles de la ceniza de la localidad 1 de Zhoukoudian, proporcionando una fuerte evidencia de la utilización, in situ, del fuego por parte del Homo erectus pekinensis.

• Noticia Phys.org (en inglés)

• Artículo: On the possible use of fire by Homo erectus at Zhoukoudian, China

Mar

2013

Andar con la mente

Última actualizacón: 2 abril 2018 a las 17:54

Hace poco comentábamos los avances en el tratamiento de diferentes problemas de visión relacionados con algunas enfermedades oculares y los mecanismos empleados: la terapia génica y la biónica. Ahora vamos a profundizar más en el segundo de estos mecanismos y el trabajo que están realizando numerosos científicos para conseguir otro hito importante: conseguir que personas con parálisis vuelvan a caminar.

El término biónica proviene de la raíz bio- «vida» y de la terminación de electró-nica,y es definida por la Real Academia Española de la Lengua como la aplicación del estudio de los fenómenos biológicos a la técnica de los sistemas electrónicos. En otros términos, en el campo de la medicina, biónica significa la sustitución de órganos o miembros por versiones mecánicas.

Existen distintos tipos de prótesis en función del órgano o miembro afectado. Por ejemplo, desde hace más de 50 años se vienen realizando implantes cocleares: consiste en la implantación quirúrgica de un aparato que transforma las señales acústicas en señales eléctricas que estimulan el nervio auditivo. Estas señales eléctricas son procesadas a través de las diferentes partes de que consta el implante y que son tanto externas (colocadas fuera del cráneo y que comprenden un micrófono, un procesador y un transmisor) como internas (un receptor-estimulador y unos electrodos).

Del mismo modo, se emplean prótesis de brazos y piernas que reciben el nombre de prótesis neurales o biónicas (ahora que los científicos han acabado por aceptar el término popularizado por los escritores de ciencia ficción). El mecanismo es relativamente sencillo sobre el papel: los miembros artificiales se acoplan al cuerpo mediante diferentes sistemas de sujeción y emplean los nervios que quedan tras una amputación para comunicarse con el cerebro de forma que éste puede controlarlos.

Los nervios, como parte del sistema nervioso periférico, conducen los impulsos eléctricos que conforman los estímulos desde los diferentes órganos al cerebro a través de la médula espinal. Cuando alguien sufre la amputación de una pierna pero los nervios siguen intactos, es posible su reconexión mediante una técnica denominada “reinervación muscular dirigida” (targeted muscle reinnervation o TMR por sus siglas en inglés). La técnica, desarrollada por el Dr. Todd Kuiken, director del centro de medicina biónica del Instituto de Rehabilitación de Chicago, transfiere los nervios de la pierna o el brazo a los músculos adyacentes. Cuando los nervios crecen en el músculo, éstos “piensan” como los músculos del pie o de la mano. De esta forma, cuando el usuario de una prótesis piensa en contraer la mano, las contracciones del músculo son medidas por señales mioeléctricas que permiten que la mano protésica responda. Es cierto que se necesita un intenso entrenamiento físico y mental para desarrollar todo el potencial, pero la mejora de estos sistemas con relación a las prótesis anteriores es abismal.

El poder de la mente

¿Y si fuéramos capaces de ir más allá? Imaginemos una persona postrada en una cama debido a una tetraplejia (personalmente, me es difícil imaginar una situación más dura). Acto seguido, imaginemos que esa misma persona se encuentra de pie frente a decenas de miles de espectadores y se encarga de hacer el saque de honor en el partido inaugural de la Copa Mundial de Fútbol a celebrar en Brasil el año que viene. ¿Ciencia-ficción?

No. Esta es la meta que se ha propuesto un grupo interdisciplinar de científicos encabezados por el brasileño Miguel Angelo Laporta Nicolelis que ha sido precursor, junto a sus colegas de la Universidad de Duke (en Durham, Carolina del Norte), de una técnica que permite implantar, por ahora en cerebros de ratas y monos, centenares de hilos conductores, finos como cabellos, formando microsondas. Éstas pueden detectar señales eléctricas muy débiles (potenciales de acción), generadas por unos pocos cientos de neuronas que se encuentran repartidas por la corteza frontal y parietal de los animales en experimentación y que son responsables de la generación de movimientos voluntarios.

Para hacer realidad la hazaña sin precedentes de que una persona vuelva a andar, el paciente llevará un traje robótico ―un exoesqueleto― confeccionado a su medida. Las señales motoras generadas por su cerebro serán enviadas a una mochila donde habrá un ordenador. Este será el encargado de “traducir” las señales eléctricas cerebrales en órdenes concretas para los motores del exoesqueleto, a fin de que este, ante todo, estabilice el peso del paciente y, después, coordine sus movimientos en el campo hasta llegar y golpear el balón.

Un prototipo de este exoesqueleto se está construyendo ya en el laboratorio de Gordon Cheng de la Universidad Técnica de Múnich y fundador de Walk Again (camina de nuevo), un proyecto internacional sin ánimo de lucro cuyo principal objetivo es desarrollar y poner en práctica el primer interfaz cerebro-máquina (brain-machine interface) capaz de restablecer la plena movilidad de los pacientes afectados de un grado severo de parálisis. Sus investigaciones han hecho posible que primates no humanos puedan utilizar la actividad eléctrica producida por cientos de neuronas, localizadas en varias regiones de su cerebro, para controlar directamente los movimientos de una gran variedad de dispositivos robóticos, incluyendo prótesis de brazos y de piernas.

Procedimiento complejo

Para que una persona sea capaz de mover con su mente un miembro robótico, es necesario en primer lugar establecer una comunicación directa con las neuronas encargadas de transmitir esa orden. No solo será preciso ubicar electrodos o sensores en el interior de la caja craneana, sino que habrá que “leer” simultáneamente una gran cantidad de neuronas. Muchos de estos sensores serán implantados en la corteza motora, la región del lóbulo frontal asociada con la generación de movimientos voluntarios, cuyas neuronas controlan y coordinan directamente el trabajo de nuestros músculos.

Acto seguido y una vez traducidos dichos impulsos eléctricos, habrán de ser retransmitidos al exoesqueleto para que se activen los diferentes actuadores y componentes mecánicos. Por último, y no menos importante, es preciso que exista un bucle, una retroalimentación con información del tacto, la fuerza, equilibrio etc. para que el cerebro del paciente sea capaz de adaptarse y modificar continuamente los impulsos que debe emitir.

Gary Lehew, colaborador de Nicoelis en la Universidad de Duke, ha ideado un nuevo tipo de sensor: un cubo de registro (debidamente patentado en Estados Unidos) que, una vez implantado, puede reconocer señales de un volumen tridimensional de la corteza. A diferencia de los anteriores sensores compuestos por matrices planas de microelectrodos, cuyas puntas reciben las señales eléctricas neuronales, este dispositivo extiende microfilamentos hacia arriba, hacia abajo y hacia los lados, recogiendo información por tanto de forma tridimensional. Esto significa que cada cubo podría, en principio, captar la actividad eléctrica de entre 4.000 y 6.000 neuronas. El objetivo consiste en implantar varios de estos sensores para disponer de datos simultáneos de decenas de miles de neuronas.

Para poder manejar la abundante cantidad de datos que genera este dispositivo, los investigadores avanzan en el diseño de microcircuitos que, implantados junto a los microelectrodos, envíen la información al exoesqueleto. Para este cometido, Tim Hanson ha construido un sistema de registro inalámbrico que permite enviar las ondas cerebrales hasta un receptor remoto. De esta forma, los datos procedentes de los sistemas de registro se transmitirán inalámbricamente a un ordenador alojado en una mochila, donde varios procesadores digitales ejecutarán unos algoritmos que traducirán las señales neuronales en órdenes aptas para controlar los elementos móviles, o actuadores, repartidos por las articulaciones del exoesqueleto y que ajustarán la posición de las extremidades artificiales.

Por último, como ya hemos avanzado, el paciente no solo ha de moverse, sino también sentir el suelo que pisa o la fuerza que ejerce con las manos. El exoesqueleto reproducirá un sentido del tacto y equilibro incorporando sensores microscópicos que, por una parte, detecten la cantidad de fuerza de cada movimiento concreto y, por otra, envíen la información del traje al cerebro para su procesamiento.

El equipo de Nicoelis ha logrado ya un avance decisivo en este campo al lograr que dos monos aprendan a ejercer un control neuronal de los movimientos de un brazo creado por ordenador, que no solo toca objetos del mundo virtual, sino que suministra también una realimentación “táctil artificial” directamente al cerebro de cada simio. Mediante entrenamiento, esta estimulación reactiva del cerebro gracias a los sensores instalados en el exoesqueleto deberían posibilitar una caminata sin tropiezos bastante similar a la que podemos hacer cualquiera de nosotros todos los días.

Otras aplicaciones

Una vez que se controle a la perfección el proceso de envío de las señales cerebrales a un dispositivo para su tratamiento digital y su conversión en órdenes mecánicas, el abanico de posibilidades de esta tecnología se abrirá en todo su esplendor. Ya no solo será posible que un humano con una lesión severa pueda volver a caminar y realizar una tarea tan cotidiana como vestirse, sino que permitirá la manipulación de robots enviados a ambientes donde un humano jamás podría o debería penetrar directamente: sería posible dirigir la actividad de un operario humanoide para reparar los daños sufridos tras un accidente nuclear como el que tuvo lugar en Fukushima.

Más aún, podríamos controlar herramientas que ejerzan fuerzas mucho mayores, o mucho más livianas, de lo que nuestros cuerpos son capaces, liberando así de las limitaciones ordinarias la cantidad de fuerza que un individuo puede desarrollar.

Quizás algún día se haga realidad la visión que James Cameron plasmó en su película Avatar y podamos maniobrar a distancia robots de cualquier tamaño y, tal vez, enviarlos a otros cuerpos celestes para que realicen los trabajos que nosotros no podemos o queremos llevar a cabo.

Referencias

Kuiken, T. A., Dumanian, G. A., Lipschutz, R. D., Miller, L. A., & Stubblefield, K. A. (2004). The use of targeted muscle reinnervation for improved myoelectric prosthesis control in a bilateral shoulder disarticulation amputee Prosthetics and Orthotics International, 28 (3), 245-253 : 10.3109/03093640409167756

En este artículo se describe el novedoso método para controlar una prótesis mioeléctrica de las extremidades superiores que se logró en un paciente con amputaciones bilaterales a nivel de los hombros. Se empleó la técnica de “reinervación muscular dirigida» gracias a la cual el paciente podía controlar simultáneamente dos movimientos con la prótesis experimental, tanto del codo como de la muñeca. El paciente manifestó que prefería claramente la nueva prótesis al indicar que era más fácil y rápida de utilizar, y la consideraba más natural.

O’Doherty JE, Lebedev MA, Ifft PJ, Zhuang KZ, Shokur S, Bleuler H, & Nicolelis MA (2011). Active tactile exploration using a brain-machine-brain interface. Nature, 479 (7372), 228-31 PMID: 21976021

En este artículo se demuestra el funcionamiento de una interfaz cerebro-máquina-cerebro (BMBI por sus siglas en inglés) que controla tanto los movimientos exploratorios de un actuador como permite la realimentación táctil artificial mediante la microestimulatión intracortical de la corteza somatosensorial primaria.

Lebedev MA, & Nicolelis MA (2006). Brain-machine interfaces: past, present and future. Trends in neurosciences, 29 (9), 536-46 PMID: 16859758

Velliste, M., Perel, S., Spalding, M., Whitford, A., & Schwartz, A. (2008). Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding Nature, 453 (7198), 1098-1101 DOI: 10.1038/nature06996

Matsuoka Y, Afshar P, & Oh M (2006). On the design of robotic hands for brain-machine interface. Neurosurgical focus, 20 (5) PMID: 16711660

Hatsopoulos, N., & Donoghue, J. (2009). The Science of Neural Interface Systems Annual Review of Neuroscience, 32 (1), 249-266 DOI: 10.1146/annurev.neuro.051508.135241