8.2: Evolución cerebral
- Page ID
- 121014
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
Objetivos de aprendizaje
- Resumir la evolución de las características cerebrales clave entre los animales.
Organización del Sistema Nervioso Central
Cuando estás leyendo este libro, tu sistema nervioso está realizando varias funciones simultáneamente. El sistema visual está procesando lo que se ve en la página; el sistema motor controla el giro de las páginas (o clic del ratón); la corteza prefrontal mantiene la atención. Incluso las funciones fundamentales, como la respiración y la regulación de la temperatura corporal, están controladas por el sistema nervioso. Un sistema nervioso es el centro de control de un organismo: procesa la información sensorial desde el exterior (y dentro) del cuerpo y controla todos los comportamientos, desde comer hasta dormir y encontrar pareja.
Los sistemas nerviosos en todo el reino animal varían en estructura y complejidad, como lo ilustra la variedad de animales que se muestra en la Figura 8.6. Algunos organismos, como las esponjas marinas, carecen de un verdadero sistema nervioso. Otros, como las medusas, carecen de un cerebro verdadero y en cambio tienen un sistema de células nerviosas (neuronas) separadas pero conectadas llamadas “red nerviosa”. Los equinodermos como las estrellas de mar tienen células nerviosas que se agrupan en fibras llamadas nervios. Los gusanos planos del filo Los platyhelmintos tienen tanto un sistema nervioso central (SNC), compuesto por un pequeño “cerebro” y dos cordones nerviosos y un sistema nervioso periférico (SNP) que contiene un sistema de nervios que se extienden por todo el cuerpo. El sistema nervioso de los insectos es más complejo pero también bastante descentralizado. Contiene un cerebro, cordón nervioso ventral y ganglios (grupos de neuronas conectadas). Estos ganglios pueden controlar movimientos y comportamientos sin aportes del cerebro. Los pulpos pueden tener el sistema nervioso de invertebrados más complicado: tienen neuronas que están organizadas en lóbulos y ojos especializados que son estructuralmente similares a las especies de vertebrados.
En comparación con los invertebrados, los sistemas nerviosos vertebrados son más complejos, centralizados y especializados. Si bien existe una gran diversidad entre los diferentes sistemas nerviosos vertebrados, todos comparten una estructura básica: un SNC que contiene un cerebro y médula espinal y un SNP compuesto por nervios periféricos sensoriales y motores. Una diferencia interesante entre los sistemas nerviosos de invertebrados y vertebrados es que las cuerdas nerviosas de muchos invertebrados se localizan ventralmente mientras que las médula espinal de los vertebrados se localizan dorsalmente. Existe un debate entre los biólogos evolutivos sobre si estos diferentes planes del sistema nervioso evolucionaron por separado o si el arreglo del plan corporal de invertebrados de alguna manera “volteó” durante la evolución de los vertebrados.
Mira este video del biólogo Mark Kirschner discutiendo el fenómeno del “volteo” de la evolución de los vertebrados.
El sistema nervioso está formado por neuronas, células especializadas que pueden recibir y transmitir señales químicas o eléctricas, y glía, células que proporcionan funciones de soporte a las neuronas al desempeñar un papel de procesamiento de información complementario a las neuronas. Una neurona se puede comparar con un cable eléctrico: transmite una señal de un lugar a otro. La glía se puede comparar con los trabajadores de la compañía eléctrica que se aseguran de que los cables vayan a los lugares correctos, mantienen los cables y bajan los cables que están rotos. Aunque la glía se ha comparado con los trabajadores, la evidencia reciente sugiere que también usurpan algunas de las funciones de señalización de las neuronas.
Existe una gran diversidad en los tipos de neuronas y glía que están presentes en diferentes partes del sistema nervioso. Hay cuatro tipos principales de neuronas, y comparten varios componentes celulares importantes.
Cerebro
El cerebro es la parte del sistema nervioso central que está contenida en la cavidad craneal del cráneo. Incluye la corteza cerebral, el sistema límbico, los ganglios basales, el tálamo, el hipotálamo y el cerebelo. Hay tres formas diferentes de seccionar un cerebro para poder visualizar las estructuras internas: una sección sagital corta el cerebro de izquierda a derecha, como se muestra en la Figura 8.7, una sección coronal corta el cerebro de adelante hacia atrás, como se muestra en la Figura 8.8, y una sección horizontal corta el cerebro de arriba a abajo.
Corteza cerebral
La parte más externa del cerebro es una gruesa pieza de tejido del sistema nervioso llamada corteza cerebral, que se pliega en colinas llamadas giratorias (singular: circunvolución) y valles llamados sulci (singular: surco). La corteza se compone de dos hemisferos, derecho e izquierdo, que están separados por un gran surco. Un haz grueso de fibras llamado cuerpo calloso (latín: “cuerpo duro”) conecta los dos hemisferios y permite que la información se pase de un lado a otro. Si bien hay algunas funciones cerebrales que se localizan más en un hemisferio que en el otro, las funciones de los dos hemisferios son en gran parte redundantes. De hecho, a veces (muy raramente) se extirpa un hemisferio completo para tratar la epilepsia grave. Si bien los pacientes sí sufren algunos déficits después de la cirugía, pueden tener sorprendentemente pocos problemas, especialmente cuando la cirugía se realiza en niños que tienen sistemas nerviosos muy inmaduros.
En otras cirugías para tratar la epilepsia severa, se corta el cuerpo calloso en lugar de extirpar todo un hemisferio. Esto provoca una condición llamada cerebro dividido, que da una idea de las funciones únicas de los dos hemisferios. Por ejemplo, cuando un objeto se presenta al campo visual izquierdo de los pacientes, es posible que no puedan nombrar verbalmente el objeto (y pueden afirmar que no han visto un objeto en absoluto). Esto se debe a que la entrada visual del campo visual izquierdo cruza y entra en el hemisferio derecho y no puede entonces señalar al centro del habla, que generalmente se encuentra en el lado izquierdo del cerebro. Sorprendentemente, si se le pide a un paciente de cerebro dividido que recoja un objeto específico de un grupo de objetos con la mano izquierda, el paciente podrá hacerlo pero aún así no podrá identificarlo vocalmente.
Cada hemisferio cortical contiene regiones llamadas lóbulos que están involucradas en diferentes funciones. Los científicos utilizan diversas técnicas para determinar qué áreas cerebrales están involucradas en diferentes funciones: examinan a pacientes que han tenido lesiones o enfermedades que afectan áreas específicas y ven cómo esas áreas se relacionan con déficits funcionales. También realizan estudios en animales donde estimulan áreas cerebrales y ven si hay algún cambio de comportamiento. Utilizan una técnica llamada estimulación transmagnética (TMS) para desactivar temporalmente partes específicas de la corteza usando imanes fuertes colocados fuera de la cabeza, y utilizan imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) para observar los cambios en el flujo sanguíneo oxigenado en regiones cerebrales particulares que se correlacionan con tareas conductuales específicas. Estas técnicas han dado una gran comprensión de las funciones de diferentes regiones cerebrales pero también han demostrado que cualquier área cerebral dada puede estar involucrada en más de un comportamiento o proceso, y cualquier comportamiento o proceso dado generalmente involucra neuronas en múltiples áreas cerebrales. Dicho esto, cada hemisferio de la corteza cerebral de los mamíferos puede dividirse en cuatro lóbulos definidos funcional y espacialmente: frontal, parietal, temporal y occipital. La Figura 8.9 ilustra estos cuatro lóbulos de la corteza cerebral humana.
El lóbulo frontal se encuentra en la parte frontal del cerebro, sobre los ojos. Este lóbulo contiene el bulbo olfativo, que procesa olores. El lóbulo frontal también contiene la corteza motora, lo cual es importante para planificar e implementar el movimiento. Las áreas dentro de la corteza motora mapean a diferentes grupos musculares y hay cierta organización en este mapa, como se muestra en la Figura 8.10. Por ejemplo, las neuronas que controlan el movimiento de los dedos están al lado de las neuronas que controlan el movimiento de la mano. Las neuronas en el lóbulo frontal también controlan funciones cognitivas como mantener la atención, el habla y la toma de decisiones. Los estudios de humanos que han dañado sus lóbulos frontales muestran que partes de esta área están involucradas en la personalidad, la socialización y la evaluación del riesgo.
El lóbulo parietal se encuentra en la parte superior del cerebro. Las neuronas en el lóbulo parietal están involucradas en el habla y también en la lectura. Dos de las principales funciones del lóbulo parietal son procesar la somatosensación —sensaciones táctiles como presión, dolor, calor, frío— y procesar la propiocepción, el sentido de cómo se orientan las partes del cuerpo en el espacio. El lóbulo parietal contiene un mapa somatosensorial del cuerpo similar a la corteza motora.
El lóbulo occipital se encuentra en la parte posterior del cerebro. Se involucra principalmente en la visión: ver, reconocer e identificar el mundo visual.
El lóbulo temporal está ubicado en la base del cerebro por tus oídos y está involucrado principalmente en el procesamiento e interpretación de sonidos. También contiene el hipocampo (en griego para “caballito de mar”), una estructura que procesa la formación de la memoria. El hipocampo se ilustra en la Figura 8.9. El papel del hipocampo en la memoria se determinó parcialmente al estudiar a un famoso paciente epiléptico, HM, al que le extirparon ambos lados del hipocampo en un intento de curar su epilepsia. Sus convulsiones desaparecieron, pero ya no pudo formar nuevos recuerdos (aunque podía recordar algunos hechos de antes de su cirugía y podría aprender nuevas tareas motoras).
En comparación con otros vertebrados, los mamíferos tienen cerebros excepcionalmente grandes para su tamaño corporal. El cerebro de un cocodrilo entero, por ejemplo, llenaría alrededor de una cucharadita y media. Este aumento en la relación entre el tamaño del cerebro y el cuerpo es especialmente pronunciado en simios, ballenas y delfines. Si bien este aumento en el tamaño general del cerebro sin duda jugó un papel en la evolución de comportamientos complejos únicos de los mamíferos, no cuenta toda la historia. Los científicos han encontrado una relación entre la superficie relativamente alta de la corteza y la inteligencia y los comportamientos sociales complejos que exhiben algunos mamíferos. Este aumento de la superficie se debe, en parte, a un mayor plegado de la lámina cortical (más sulci y giras). Por ejemplo, una corteza de rata es muy lisa con muy pocos sulci y giros (Figura 8.11). Las cortezas de gato y oveja tienen más sulci y giras. Los chimpancés, los humanos y los delfines tienen aún más.
Ganglios basales
Las áreas cerebrales interconectadas llamadas ganglios basales (o núcleos basales), que se muestran en la Figura 8.7, juegan un papel importante en el control del movimiento y la postura. El daño a los ganglios basales, como en la enfermedad de Parkinson, conduce a alteraciones motoras como una marcha arrastrada al caminar. Los ganglios basales también regulan la motivación. Por ejemplo, cuando una picadura de avispa provocó daños bilaterales en los ganglios basales en un empresario de 25 años, comenzó a pasar todos sus días en la cama y no mostró interés en nada ni en nadie. Pero cuando fue estimulado externamente —como cuando alguien le pedía jugar un juego de cartas con él— pudo funcionar normalmente. Curiosamente, él y otros pacientes similares no reportan sentirse aburridos o frustrados por su estado.
Tálamo
El tálamo (griego para “cámara interna”), ilustrado en la Figura 8.12, actúa como puerta de entrada hacia y desde la corteza. Recibe entradas sensoriales y motoras del cuerpo y también recibe retroalimentación de la corteza. Este mecanismo de retroalimentación puede modular la conciencia consciente de las entradas sensoriales y motoras dependiendo del estado de atención y excitación del animal. El tálamo ayuda a regular los estados de conciencia, excitación y sueño. Un raro trastorno genético llamado insomnio familiar fatal causa la degeneración de las neuronas talámicas y la glía. Este trastorno impide que los pacientes afectados puedan dormir, entre otros síntomas, y eventualmente es fatal.
Hipotálamo
Debajo del tálamo se encuentra el hipotálamo, mostrado en la Figura 8.12. El hipotálamo controla el sistema endocrino enviando señales a la glándula pituitaria, una glándula endocrina del tamaño de un chícharo que libera varias hormonas diferentes que afectan a otras glándulas así como a otras células. Esta relación significa que el hipotálamo regula conductas importantes que son controladas por estas hormonas. El hipotálamo es el termostato del cuerpo, asegura que las funciones clave como la ingesta de alimentos y agua, el gasto de energía y la temperatura corporal se mantengan en niveles apropiados. Las neuronas dentro del hipotálamo también regulan los ritmos circadianos, a veces llamados ciclos de sueño.
Sistema límbico
El sistema l imbic es un conjunto conectado de estructuras que regulan la emoción, así como comportamientos relacionados con el miedo y la motivación. Desempeña un papel en la formación de la memoria e incluye partes del tálamo y del hipotálamo, así como del hipocampo. Una estructura importante dentro del sistema límbico es una estructura lóbulo temporal llamada amígdala (en griego para “almendra”), ilustrada en la Figura 8.12. Las dos amígdalas son importantes tanto por la sensación de miedo como para reconocer rostros temerosos. El giro cingulado ayuda a regular las emociones y el dolor.
Cerebelo
El cerebelo (latín para “pequeño cerebro”), que se muestra en la Figura 8.9, se asienta en la base del cerebro en la parte superior del tronco encefálico. El cerebelo controla el equilibrio y ayuda a coordinar el movimiento y aprender nuevas tareas motoras.
tronco encefálico
El tronco encefálico, ilustrado en la Figura 8.9, conecta el resto del cerebro con la médula espinal. Consiste en el mesencéfalo, bulbo raquídeo y los pones. Las neuronas motoras y sensoriales se extienden a través del tronco encefálico permitiendo el reenvío de señales entre el cerebro y la médula espinal. Las vías neuronales ascendentes se cruzan en esta sección del cerebro permitiendo que el hemisferio izquierdo del cerebro controle el lado derecho del cuerpo y viceversa. El tronco encefálico coordina las señales de control motor enviadas desde el cerebro al cuerpo. El tronco encefálico controla varias funciones importantes del cuerpo, como el estado de alerta, la excitación, la respiración, la presión arterial, la digestión, la frecuencia cardíaca, la deglución, la marcha y la integración de información sensorial y motora.
Médula espinal
Conectándose al tronco encefálico y extendiéndose hacia abajo del cuerpo a través de la columna vertebral se encuentra la médula espinal, que se muestra en la Figura 8.9. La médula espinal es un haz grueso de tejido nervioso que transporta información sobre el cuerpo al cerebro y del cerebro al cuerpo. La médula espinal está contenida dentro de los huesos de la columna vertebrada pero es capaz de comunicar señales hacia y desde el cuerpo a través de sus conexiones con los nervios espinales (parte del sistema nervioso periférico). Una sección transversal de la médula espinal parece un óvalo blanco que contiene una forma de mariposa gris, como se ilustra en la Figura 8.13. Los axones mielinizados conforman la “materia blanca” y los cuerpos celulares neuronales y gliales conforman la “materia gris”. La materia gris también está compuesta por interneuronas, las cuales conectan dos neuronas cada una ubicada en diferentes partes del cuerpo. Los axones y cuerpos celulares en la médula espinal dorsal (frente a la parte posterior del animal) transmiten principalmente información sensorial del cuerpo al cerebro. Los axones y cuerpos celulares en la médula espinal ventral (frente al frente del animal) transmiten principalmente señales que controlan el movimiento del cerebro al cuerpo.
La médula espinal también controla los reflejos motores. Estos reflejos son movimientos rápidos e inconscientes, como quitar automáticamente una mano de un objeto caliente. Los reflejos son muy rápidos porque involucran conexiones sinápticas locales. Por ejemplo, el reflejo de rodilla que un médico prueba durante un examen físico de rutina está controlado por una sola sinapsis entre una neurona sensorial y una neurona motora. Si bien un reflejo solo puede requerir la afectación de una o dos sinapsis, las sinapsis con interneuronas en la columna vertebral transmiten información al cerebro para transmitir lo sucedido (la rodilla se sacudió, o la mano estaba caliente).
En Estados Unidos, hay alrededor de 10,000 lesiones de la médula espinal cada año. Debido a que la médula espinal es la supercarretera de la información que conecta el cerebro con el cuerpo, el daño a la médula espinal puede llevar a la parálisis. La extensión de la parálisis depende de la ubicación de la lesión a lo largo de la médula espinal y de si la médula espinal estaba completamente seccionada. Por ejemplo, si la médula espinal está dañada a nivel del cuello, puede causar parálisis desde el cuello hacia abajo, mientras que el daño a la columna vertebral más abajo puede limitar la parálisis a las piernas. Las lesiones de la médula espinal son notoriamente difíciles de tratar debido a que los nervios espinales no se regeneran, aunque las investigaciones en curso sugieren que los trasplantes de células madre pueden actuar como un puente para reconectar los nervios seccionados. Los investigadores también están buscando formas de prevenir la inflamación que empeora el daño a los nervios después de la lesión. Uno de esos tratamientos es bombear el cuerpo con solución salina fría para inducir hipotermia. Este enfriamiento puede prevenir la hinchazón y otros procesos que se cree que empeoran las lesiones de la médula espinal.
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
El lóbulo ________ contiene la corteza visual.
a. frontal
b. parietal
c. temporal
d. occipital
Ejercicio\(\PageIndex{2}\)
El ________ conecta los dos hemisferios cerebrales.
a. sistema límbico
b. cuerpo calloso
c. cerebelo
d. hipófisis
Ejercicio\(\PageIndex{3}\)
Las neuronas en el ________ controlan los reflejos motores.
a. tálamo
b. médula espinal
c. lóbulo parietal
d. hipocampo
Ejercicio\(\PageIndex{4}\)
¿Qué métodos se pueden utilizar para determinar la función de una región cerebral en particular?
Ejercicio\(\PageIndex{5}\)
¿Cuáles son las principales funciones de la médula espinal?
Ejercicio\(\PageIndex{6}\)
¿Qué estructura cerebral es la más antigua del árbol evolutivo de los animales? ¿Qué grupos de animales tienen esta estructura?