Tus ojos son una ventana al funcionamiento interno de tu cerebro

Cerebelo en rojo.

Fuente: Base de datos de Ciencias de la vida / Wikimedia Commons

Cada mañana, me levanto con la esperanza de que haya noticias de última hora que nos ayuden a comprender mejor el funcionamiento interno del cerebelo (en latín, "pequeño cerebro"). El cerebelo es principalmente conocido por su papel en todos los tipos de coordinación sensoriomotora y por la fluidez del movimiento. Hoy, un nuevo estudio de un equipo de investigadores internacionales revela más pistas sobre cómo las neuronas específicas en el cerebelo están vinculadas a nuestros ojos y son una ventana al cerebro.

Sé que esperar nuevas investigaciones cerebelosas (relacionadas con o ubicadas en el cerebelo) es una razón extremadamente esotérica para salir de la cama por la mañana … Pero, para mí, decodificar los misterios de las células de Purkinje y el cerebelo es profundo personal.

Antes de su muerte repentina en 2007, mi padre, que era neurocientífico, neurocirujano y autor de The Fabric of Mind (Viking), dedicaba los últimos años de su vida a intentar resolver acertijos multifacéticos y enigmáticos del cerebelo. Murió antes de que los avances en la tecnología de neuroimágenes le permitieran realizar sus sueños e hipótesis. En su funeral, hice la promesa de que haría todo lo posible para mantener viva la pasión de mi padre por "el pequeño cerebro" a lo largo del siglo veintiuno.

Durante la última década, he mantenido mi antena para los avances en la tecnología de la neurociencia y me esforcé por conectar los puntos de la investigación aparentemente no relacionada sobre el cerebelo en formas nuevas y útiles.

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Mientras escribía el manuscrito The Athlete's Way (St. Martin's Press) en 2005, hablaba con mi padre todos los días. Sin lugar a dudas, al menos una vez por semana, mi padre decía: "No sabemos exactamente qué están haciendo las neuronas Purkinje del cerebelo". Pero lo que sea que estén haciendo, lo están haciendo mucho ".

Las neuronas de Purkinje llevan el nombre de Johannes Purkinje, quien identificó estas neuronas por primera vez en 1837. El Dr. Purkinje también fue la primera persona en identificar la individualidad de la huella dactilar humana. Tenía la habilidad de desenterrar cosas relativamente obvias que todos los demás parecían ignorar. Las células de Purkinje son las neuronas más grandes y distintivas del cerebro. Sus dendritas se despliegan como abanicos chinos y se organizan sistemáticamente de una manera que los mantiene alineados pero asegura que nunca se toquen. Un solo axón se proyecta desde el abanico de las dendritas.

Ilustración de las neuronas de Purkinje (A) por Santiago Ramón y Cajal alrededor de 1899.

Fuente: Santiago Ramón y Cajal / Public Domain

Para leer más sobre las ideas que obtuve en las células de Purkinje a través de conversaciones con mi padre, por favor revisa algunos extractos gratuitos de The Athlete's Way . Aunque escribí estos pasajes hace más de diez años, las ideas especulativas proporcionadas por mi padre son proféticamente precisas a la luz de los últimos hallazgos empíricos en neurociencias publicados en los últimos meses.

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Esta mañana, estaba emocionado de leer acerca de un nuevo estudio sobre las neuronas de Purkinje que ayuda a explicar por qué mi padre adivinó que estas células cerebelosas son increíblemente dinámicas y extraordinarias. Como resultado, las neuronas de Purkinje en el cerebelo pueden dictar simultáneamente cuando comienza un movimiento muscular finamente sintonizado, pausas y la velocidad a la que se produce este movimiento coordinado.

El informe de julio de 2016, "Codificación multiplexada por Cerebellar Purkinje Neurons", aparece en la revista eLife . Técnicamente, "múltiplex" significa "un sistema o señal que implica la transmisión simultánea de varios mensajes a lo largo de un único canal de comunicación". Esta investigación sugiere que el axón singular de una neurona de Purkinje puede enviar múltiples mensajes simultáneamente.

Estos hallazgos ofrecen muchas pistas emocionantes en el espectro del control motor que van desde enfermedades como la enfermedad de Parkinson o trastornos del espectro autista (TEA) a la fluidez del movimiento asociado con el dominio de un instrumento musical o el desarrollo de la destreza atlética de una gimnasta olímpica.

Para este estudio, un equipo de investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) y colaboradores en Alemania estudiaron exactamente cómo se correlacionaban las células de Purkinje del cerebelo con movimientos oculares rápidos y "sacádicos".

El año pasado, un estudio pionero, "Codificación de la acción de las células de Purkinje del cerebelo", realizado por investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins, se publicó en la revista Nature . Los investigadores informaron que las células de Purkinje comparten propiedades comunes de espículas complejas que parecen controlar los movimientos oculares rápidos, que se conocen como movimientos sacádicos.

Fuente: Vladimir Arndt / Shutterstock

Ya sea que lo notes conscientemente o no, tus ojos se mueven constantemente. Tus ojos se mueven rápida e irreflexivamente desde un punto de enfoque hasta enfocarte en otra cosa. Durante los movimientos sacádicos, incluso si no estás pensando en mover los ojos, el cerebelo realiza un inventario constante para determinar dónde dirigir tu enfoque, según lo que contiene la información más importante. Los movimientos sacádicos finamente sintonizados nos permiten hacer cosas tales como mantener el contacto visual con alguien mientras conversa o volear una pelota de tenis que se acerca a usted a más de 100 millas por hora.

Curiosamente, uno de los síntomas clave del autismo es tener dificultades para mantener el contacto visual durante las conversaciones emocionales. Las autopsias de niños autistas revelan cerebelos reducidos y células de Purkinje atrofiadas. Escribí sobre este fenómeno en una publicación de blog de Psychology Today , "¿Qué impide el contacto visual durante las conversaciones emocionales?"

El sacáceo es un ejemplo perfecto de la coordinación sensoriomotora del cerebelo. Cómo coordinamos todos nuestros movimientos musculares tiene un impacto de gran alcance en la forma en que interactuamos con el medio ambiente y las personas que nos rodean. Esto es especialmente cierto cuando se logra un estado de flujo o superfluidez , que se caracteriza por la coordinación de los movimientos de una manera que fluye sin ningún tipo de fricción o viscosidad.

Los últimos hallazgos del OIST reafirman mi hipótesis original de que las neuronas de Purkinje juegan un papel fundamental en el logro de un estado de flujo y superfluidez tanto dentro como fuera de la cancha. Como digo en p. 119 de The Athlete's Way ,

"Se podría pensar en mil dendritas de células purkinje como un" plato receptor "de muchos lugares amplios y variados de su cuerpo. El único axón de la célula de Purkinje podría verse como un cable de salida que envía señales de todo el lugar a través de una tubería consolidada. Las dendritas de las células de Purkinje son paralelas pero nunca se tocan. Oscilan como colas de pescado y empujan las señales hacia el axón, desde el cerebelo hasta el cerebro ".

Este procesamiento a la velocidad de la luz en las neuronas Purkinje del portero en el cerebelo le permite saltar a un balón de fútbol mientras estira las manos y mantiene la vista fija en el objetivo utilizando el reflejo vestibuloocular (VOR) del cerebelo. En el deporte y la vida, el cerebelo monitorea su equilibrio, propiocepción, control postural, coordinación muscular y velocidad de movimientos.

Investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) recientemente capturaron impresionantes imágenes de las neuronas de Purkinje que revelan la asombrosa precisión de las ilustraciones de Ramón y Cajal de hace más de un siglo.

Fuente: OIST, usado con permiso

El resultado final de cualquier célula de Purkinje dada es a través de un solo axón. Curiosamente, todas las células de Purkinje parecen estar funcionando de manera autónoma, pero simultáneamente al unísono. Estas neuronas toman información sensorial a nivel cerebeloso de cada parte de su cuerpo y envían esta información al cerebro para su procesamiento cerebral.

Las neuronas de Purkinje funcionan a una velocidad cuántica. La amplificación de más de doscientas mil señales entrantes a través de un axón ofrece una capacidad de procesamiento paralelo desde el cerebelo hasta la corteza cerebral.

Cuando el equipo de OIST construyó un modelo matemático sobre la tasa promedio de disparos de los picos de las neuronas de Purkinje, descubrieron que una relación simple podía predecir la fluidez del movimiento al principio de un movimiento sacádico del ojo.

Como todas las neuronas, las células de Purkinje emiten picos causados ​​por la producción eléctrica. Las células de Purkinje disparan picos rápidamente la mayor parte del tiempo, pero ocasionalmente hay pausas en estos picos. En una declaración, el profesor Erik De Schutter, coautor y jefe de la Unidad de Neurociencia Computacional del OIST, dijo.

"Queremos saber qué nos dicen estos picos en realidad. . . Hay un gran cambio en el potencial de campo local en el momento de un saccade. También podemos ver que hay un pico de inicio de pausa en la celda de Purkinje en el momento en que comienza el movimiento del ojo.

Esto nos mostró que los picos que comienzan las pausas controlan el inicio de un movimiento y que los que no están relacionados con las pausas controlan la velocidad del movimiento. Esto significa que hay multiplexación en las células de Purkinje; pueden enviar dos señales a la vez ".

Esto es importante porque esta investigación sugiere que tanto los tiempos de los picos individuales como la velocidad promedio de disparo de los picos son cruciales para comprender las complejidades del cerebelo y todos los tipos de habilidades motoras finamente sintonizadas.

Conclusión: Alcanzar la superfluidez en el deporte y la vida depende de las neuronas de Purkinje

Fuente: Jiang Dao Hua / Shutterstock

Mientras observas a los atletas de élite competir en los juegos de verano de Río Olímpico en las próximas semanas, recuerda que todos sus movimientos musculares finamente ajustados dependen de las neuronas de Purkinje en el cerebelo. En el extremo opuesto del espectro, la estructura, la función y la conectividad atípicas de las células de Purkinje pueden dificultar la navegación de personas con ciertos trastornos neurológicos del cerebelo.

Estos hallazgos sobre las neuronas de Purkinje tienen la capacidad de ayudar a los expertos a desarrollar intervenciones que podrían mejorar el rendimiento de un atleta o artista al crear flujo y superfluidez. Esta investigación también podría ayudar a aquellos con una amplia gama de trastornos que están enraizados en las anormalidades cerebelosas a optimizar su vida diaria.

Potencialmente, las últimas ideas para comprender el mecanismo de las neuronas en el cerebelo podrían conducir a avances en la tecnología médica -como la interconexión de máquinas cerebrales- que podría permitir a los pacientes paralíticos o amputados mover las prótesis ajustando las señales cerebrales. Además, estos hallazgos podrían ser útiles en el diseño de inteligencia artificial avanzada para robots que requieren un control motor fino.

Esté atento a las actualizaciones sobre cómo la investigación cerebelosa de vanguardia se puede aplicar tanto al deporte como a la vida. Para leer más sobre las células de Purkinje, los movimientos oculares y el cerebelo, consulte mis publicaciones anteriores del blog de Psychology Today ,

• "Las células de Purkinje cobran vida con excitación dependiente del estado"
• "Mecanismo epigenético en el cerebelo impulsa el aprendizaje motor"
• "Los blancos de tus ojos transmiten verdades subconscientes"
• "La neurociencia de hacer contacto visual"
• "12 maneras en que los movimientos oculares delatan tus secretos"
• "¿Cómo se relacionan las células de Purkinje en el cerebelo con el autismo?"
• "El autismo, las células de Purkinje y el cerebelo están entrelazados"
• "Más investigación vincula el autismo y el cerebelo"
• "Sincronización cerebral idiosincrásica asociada con el autismo"
• "La conectividad mejorada de cerebelo aumenta la capacidad creativa"
• "El cerebelo tiene muchas pistas para crear robots humanoides"
• "5 razones por las cuales el cerebelo es clave para prosperar en la era digital"

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