2. Neurobiología de las redes corticales

Para comenzar queremos aclarar que se repetirán los términos redes, neocorteza y corteza ya que no existen sinónimos que engloben las características esenciales de los mismos.

En este capítulo se hablará de las funciones cognitivas en cuanto al desarrollo de las redes corticales. Se tocarán temas como la parte filogenética y ontogenética de la corteza. En este aspecto se relacionan los factores genéticos y la experiencia individual de la actividad neural de la neocorteza. Así también, se discutirá la evolución, los principios de la formación de las redes, tomando en cuenta factores fuera de la corteza. Para concluir, se definirán las características estructurales de las redes cognitivas.

Filogenia de la corteza

El primer precursor de la neocorteza de los mamíferos surgió en la era Mesozoica, llamada neopallium. Existen varias opiniones sobre cómo evoluciono esta estructura:

· Evolucionó de la expansión del “hippocampal pallium” y del “pallium” lateral.

· Se deriva de una estructura más interna dentro del telencéfalo, el surco ventricular dorsal. Se concluye que en lo que se relaciona es que todos los mamíferos tienen neocorteza, aunque se acepta diferencia estructural entre ellas. A todo esto hay un consenso en que la evolución de esta estructura contribuyó a que los animales mamíferos se adaptaran mejor a su ambiente, tuvieran mejor comunicación entre ellos y una vida más larga.

Gracias a los descubrimientos de la anatomía comparativa se ha podido llegar a la conclusión de que la corteza ha evolucionado desde una simple capa de células piramidales con dendritas en los reptiles que eran contemporáneos a los dinosaurios. Más adelante, los mamíferos tenían una estructura con más capas dentro de la neocorteza llamada isocorteza (isocortex). Con el progreso de las especies, se puede observar que mientras más evolucionado es un mamífero su corteza se vuelve más grande y pesada. A este proceso se le llama neocorticalization, en inglés, y culmina en los primates. De éstos últimos se puede mencionar que el crecimiento de su neocorteza (a nivel de la especie) en relación a las demás estructuras cerebrales es desproporcionadamente más rápida.

En cuanto al aumento del tamaño de superficie y de grosor de las estructuras laminares corticales, se ha observado que el incremento de la superficie tiende a ser mayor y que, cuando aumenta el grosor de la corteza, la densidad de las células en él tiende a disminuir. Esta expansión se logra gracias a la multiplicación y proliferación de células nerviosas. Este proceso también hace que se formen nuevas áreas que surgen de unas más simples y que, a su vez, difieren de éstas tanto estructuralmente como funcionalmente de las originales.

La evolución en términos de la función neural se puede notar gracias a las diferencias entre especies en la conectividad, cytoarquitectura y electofisiología. Mientras más diversa la función de diferentes aéreas corticales, más avanzada es la especie.

De la misma manera, se ha estudiado la capacidad sensorial de los mamíferos a lo largo de la evolución para obtener resultados sobre el desarrollo de diferentes aéreas. Se utilizaron mapas topográficos corticales para realizar estos estudios y se observó que los cinco sentidos están presentes en una gran cantidad de especies, sin embargo las áreas especializados para cada modalidad y la precisión de los mismos tiende a variar.

Se cree que la proliferación de las áreas sensoriales de la corteza se da gracias a A) la duplicación de áreas por mutación genética y B) mielinización. Ahora, se ha llegado a creer que algunos organismos primitivos tenían campos corticales múltiples y altamente especializados por la teoría de que la corteza de asociación “rudimentaria” de estos organismos dio lugar a lo que ahora conocemos una corteza especializada de áreas sensoriales y motoras.

La secuencia a continuación descrita trata acerca del crecimiento de las dendritas y abarca el campo ontogenético y filogenético.

1. La formación de la capa plexiforme debajo de la superficie cortical.

2. Formación de la capa cortical que es la base de la neocorteza y el destino de las células migratorias.

3. Las células viajan hacia afuera desde la zona ventricular hasta la capa superior de la placa cortical.

4. Las células descienden más profundamente dentro de la corteza.

5. Proliferación de las células corticales.

Esto resulta en capas de células de la corteza. El largo las dendritas está relacionado con los contactos sinápticos; la prolongación ontogenética y filogenética de las mismas da a entender un aumento en el poder integrativo, combinatorio y formador de redes de las neuronas neurocorticales. Otra señal que nos demuestra una expansión acelerada de la conectividad neocortical es el desarrollo masivo de la materia blanca subcortical. Se ha visto en primates que ésta puede expandirse hasta más rápido que la neocorteza.

Ontogenia de la corteza

Así como en la evolución, la neocorteza humana crece más que cualquier estructura del cerebro en cuanto a tamaño y volumen. Ésta alcanza su máximo desarrollo relativamente al tamaño del cerebro y el cuerpo. Así también, el incremento relativo de la materia blanca debajo de la corteza relacionada con su infraestructura supera a aquella del sistema nervioso central.

La neocorteza surge de una capa germinal o proliferativa de células esenciales en la pared ventricular del tubo neural. Fuera de esta capa los neuroblastos se reproducen para convertirse en neuronas de la corteza. Éstas migran durante el proceso de la embriogénesis en ondas continuas hacia un sitio debajo de la superficie de la potencialmente corteza cerebral. Las neuronas se mueven radialmente, guiadas de acuerdo al principio de contacto-adhesión, junto a fibras gliales por medio de una fuerza de atracción obtenida del desarrollo de axones corticorticales y talamocorticales. Mientras estas van migrando, las neuronas “viejas” van descendiendo la profundidad cortical y son sustituidas por “nuevas” que van empujando. Por consiguiente, las células se alienan en la placa cortical en orden de antigüedad, las más viejas en la parte profunda de la corteza y las más nuevas encima de éstas. El grosor de la placa cortical y la distancia entre la zona proliferativa y la piamadre incrementará durante el proceso de crecimiento y migración neuronal.

Acerca de este tema, el investigador Pasko Rakic, postuló que la capa proliferativa contiene un arreglo bidimensional genéticamente determinado de células proliferativas, constituyente de un mapa o “Bauplan” topológico de la futura corteza. Aquí retomaremos la antes mencionada secuencia de formación, organización y especificación de las células neurales. Agregaremos el tema de la plasticidad ya que se discute que la corteza es inicialmente uniforme y se va diferenciando exclusivamente con entradas desde el exterior. Aunque también se cree que factores tanto como genéticos como ambientales afectan conjuntamente al desarrollo cortical.

La formación de neuronas se completa al final del segundo trimestre de gestación. Pero, el crecimiento neuronal sigue. Luego del nacimiento algunas neuronas todavía están migrando hacia su destino final. La conexión sináptica se crea en periodos pre y postnatales. A esto se le llama sinaptogénesis y, según dicen los estudios termina a los dos años de edad.

En general, las capas profundas de la corteza se desarrollan más tempranas y rápidas que aquellas que se encuentran más arriba y que se encargan de la integración corti-cortical de las redes y las funciones. A la vez, la región capilar y glia de la corteza también crece. Todo esto conlleva al agrandamiento del grosor de la neocorteza y de su profundidad. Ésta creará surcos, cisuras y hendiduras cuando haya adquirido la cantidad necesaria de neuronas y la mayor parte de éstas han alcanzado su destino final.

La etapa perinatal se refiere a los últimos cinco meses de embarazo y al primer mes de nacido del organismo. En los humanos, las neuronas, los axones, las dendritas sobrellevan períodos de gran crecimiento y producción, seguido por la reducción de cantidad y tamaño, conocida como “attrition” o desgaste. Durante estos periodos también puede ocurrir la muerte neural. Además los procesos de mielinización se llevan en esta etapa. Sin embargo, esto ocurre en períodos de varios meses hasta años. A través de la elongación, las dendritas siguen creciendo a lo largo del crecimiento.

Se debe mencionar que en el crecimiento y desgaste de elementos corticales afectan factores genéticos y ambientales. En cuanto a lo ambiental, Changeux y Danchin postularon la hipótesis de que las sinapsis se volverían definitivas o desaparecerían según la experiencia. Es decir, al principio existe un exceso de conexiones interneuronales pero su sobrevivencia dependerá del uso que se les dé.

En cuanto a factores que afectan la corteza sin afectar directamente el ADN (factores epigenéticos) debemos mencionar las sustancias neuroquímicas ya que éstas pueden promover o detener el crecimiento. Una de ellas es la tiroxina. Las neurotrofinas son substancias de la neocorteza que promueven el crecimiento y son esenciales para el desarrollo cortical normal y la plasticidad. Se ha demostrado que la experiencia (como la estimulación sensorial) promueve la liberación de las neurotrofinas para mejorar la formación de sinapsis y la eficacia de su función.

Existen dos áreas sobre el desarrollo de la corteza.

· El desarrollo celular y conectivo estructural de la neocorteza. De esta se puede mencionar que existen un orden funcional jerárquico para los procesos sensoriales y motores.

· El desarrollo de conexiones de la corteza con otras estructuras.

Así también hay dos criterios de la maduración neural:

· Mielinización: Flechsig propuso que ésta se daba en un orden cronológico y que las funciones de las diferentes regiones corticales se desarrollaban luego de su mielinización. Sin embargo, en algunas neuronas la mielina no es indispensable ya que pueden funcionar perfectamente.

· Sinaptogénesis: Formación de sinapsis. Aquí también se puede tomar en cuenta el proceso de reducción de sinapsis. Ésta se puede dar al mismo tiempo que otros fenómenos de maduración neural como el crecimiento y eliminación de axones, crecimiento dendrítico y la mielinización de materia blanca subcortical. Esto sucede hasta la pubertad.

La transmisión química es una característica de la corteza que se refiere a los transmisores y su desarrollo, al igual que la sinaptogénesis, se da por períodos.

En general, se puede establecer que existe una predisposición genética o plan global acerca del desarrollo de la estructura observable de la neocorteza. No obstante, la expresión de esta disposición está sujeta a cambios por influencias tanto internas como externas que se dan gracias a la interacción del organismo con su alrededor. De aquí surgen redes que involucran interacciones sensoriales y motoras para crear funciones cognitivas.

Los periodos críticos se refieren a etapas específicas en las cuales la experiencia es un factor esencial en el desarrollo normal de la neocorteza. Si en estos períodos se priva de inputs sensoriales específicos es probable que el desarrollo de los axones en la corteza sea anormal. Por otro lado las lesiones en estructuras sensoriales y en áreas corticales pueden provocar una reorganización de las conexiones corticales. Es decir, esto se ha tomado como evidencia de la plasticidad cortical. Es la capacidad potencial de que algunas estructuras substituyan a otras que han sido deshabilitadas.

La formación de redes cognitivas

Después de haber aclarado el proceso de desarrollo, hablaremos acerca de las generalidades de la estructura ya terminada. La jerarquía de la organización de las redes y representaciones se puede detallar en el siguiente marco:

· La neocorteza ya desarrollada contiene agrupaciones de neuronas.

· La corteza está subdivida en áreas definidas por el tamaño, forma y arreglo horizontal de sus neuronas. Éstas pueden representar ciertas características del ambiente o de una acción sobre el ambiente.

· Mientras más interconectadas estas áreas, más compleja será la característica o acción representada.

Aunque el desarrollo de las conexiones neurales esté completa, la capacidad funcional no. La experiencia la cambiará continuamente a nivel sináptico, incrementando así, el rango de sus funciones. Entonces, se puede decir que la experiencia convertirá a las redes corticales en representaciones cognitivas.

Existen diferentes opiniones sobre el debate de herencia versus ambiente. Cabe mencionar dos diferentes corrientes:

· Seleccionismo: propone que la selección y la eliminación de sinapsis se da gracias al rol que juegan la adaptación y la variación innata. La exposición al ambiente causa la sobrevivencia y especialización de algunos elementos y la desaparición de otros. La esencia de esta teoría es la selección competitiva. De esta selección, grupos neuronales emergen para formar un mana representativo que responderá mejor y podrá categorizar a los estímulos. Esto será útil para la percepción, comportamiento y memoria.

· Constructivismo: propone que la representación cortical es el resultado del crecimiento y combinación de elementos neurales que se desarrollan en la estructura cortical promovida por la experiencia. Por esto también son llamadas empiristas modernos. La restructuración de los mapas representativos se da en función a influencias ambientales. Asimismo la experiencia sensorial promueve el crecimiento de los componentes conectivos de las redes corticales. De esto, pueden suceder dos cosas:

o El detenimiento del crecimiento por la privación sensorial.

o La proliferación y expansión por estimulación sensorial.

A través de esto nos damos cuenta que no se puede escoger una vertiente específica en cuanto a herencia o ambiente. Lo que se debe cuestionar es qué tanto de cada uno afecta a la estructura de la corteza. El factor genético y experiencia se entrelazan a lo largo de toda la vida.

Sin embargo, se puede establecer que tanto los constructivistas como los seleccionistas están de acuerdo en que la sinapsis juega un papel principal en la formación de redes cognitivas porque las representaciones ambientales internas y externas son construidas en base a contactos entre neuronas.

Al hablar de “degeneracy” nos referimos a una propiedad crítica de esa red que permite crear la misma respuesta o resultado cuando dos componentes estructurales diferentes son estimulados. Ésta es clave para nuestra percepción y categorización por lo que puede ser equivalente a nuestra cognición. El remapamiento se evidencia en experimentos que muestran la expansión de campos receptivos neuronales cuando toman lugar de campos que han sido dañados.

A continuación ampliaremos los términos de privación sensorial y estimulación sensorial.

· Privación sensorial: privación de estímulos sensoriales por periodos prolongados. Esto puede resultado en una reducción de axones, dendritas y sinapsis. Los efectos pueden ser reversibles cuando se restablece el input sensorial normal.

· Estimulación sensorial: es un ambiente rico de estímulos sensoriales que mantiene el tamaño y el crecimiento normal de las dendritas. Con este tipo de estimulación, los animales, se desempeñan mejor en ciertas pruebas de comportamiento.

Hebb proponía que una sinapsis se convierte en eslabón cuando impulsos se transmiten constantemente entre ellas porque de esa forma la conexión se vuelve más fuerte. Aparte de esta condición Hebb propone otra que lleva a la facilitación sináptica, llamada la coincidencia temporal, refiriéndose a cuando inputs pre-sinápticos llegan a la misma o a diferentes células. Ésta última es importante para la formación de la memoria porque cualquier célula o grupo de células que es activada al mismo tiempo y repetidamente, normalmente se vuelven asociadas. Estas reglas expuestas por Hebb nos resultan esenciales para formar un modelo de representación cognitiva, pues éstas tienen dos características importantes:

· Correlación: asociación por coincidencia temporal.

· Interrelación de inputs en la estructura cerebral.

Hebb propone que las influencias ambientales pueden modificar la sinapsis pero no pueden establecerlas. Según los principios de éste se puede decir que la excitación en circuitos recurrentes de estímulos sobre una red hace que al output actúe juntos para facilitar la transmisión sináptica a una célula asociativa post-sináptica. Esto puede resultar en memoria a corto plazo o memoria de trabajo (atención). Estas células se aplican tanto a células específicas como a grupos de células.

Factores extra-corticales

La formación de redes neocorticales también puede depender de influencias de otras estructuras cerebrales y por sistemas neurotransmisores a nivel subcortical. Sin embargo, esta influencias no es específica y por eso es importante considerar el rol mediador del sistema límbico y de otras estructuras subcorticales.

· Hipocampo: Se encarga de la adquisición y conciliación de la memoria declarativa y ejecutiva. Así como también de la construcción de representaciones. Un daño en él puede afectar a la memoria declarativa (hechos y eventos). Trabaja junto a la neocorteza en la consolidación de la memoria. La corteza motora y sensorial motora no recibe un input del hipocampo a diferencia del de asociación. Las representaciones creadas por esta estructura son las de acciones más complejas realizadas por el individuo.

· Amígdala: El complejo nuclear más importante del sistema límbico juega un rol en la atribución de significado emocional a estímulos externos. Aporta a la neocorteza inputs afectivos y motivacionales que son importantes para el registro de las memorias.

· Neurotransmisores: La formación de redes representativas está sujeta a modulación neuroquímica de los neurotransmisores. Éstas regulan funciones como el sueño, vigilia y alerta. Estos también pueden influir en la inhibición y excitación sináptica el cual es un mecanismo importante para la cognición, atención y formación de redes.

o GABA: Neurotransmisor inhibitorio de la corteza. Sirve para el aprendizaje y memoria

o Glutamato: Neurotransmisor excitatorio de la corteza.

o NMDA: Mediador de asociaciones neo-corticales.

Estructura básica de las redes cognitivas

Las representaciones se pueden observar primitivamente en mamíferos ancestrales como simples características del mundo y sus adaptaciones y como una forma rudimentaria de memoria. A ésta todavía tenemos acceso para obtener información almacenada sobre adaptaciones a nuestro alrededor. El papel de los periodos críticos en este ámbito juega un papel importante porque durante ellos las áreas motoras y sensoriales necesitan ser estimuladas. Éstos son momentos de gran vulnerabilidad ya que se puede perder una capacidad o una función si no son estimuladas adecuadamente. En estos momentos la plasticidad también entra en juego.

En el desarrollo de las redes es importante la continuación de procesos filogenéticos y ontogenéticos a lo largo de la vida del individuo. Asimismo la conectividad es la esencia estructural de las redes cognitivas. Esta conectividad tiene una correspondencia general a la tendencia de maduración cortical.

Existe un paralelismo entre la representación cognitiva a través de redes y la conectividad cortical. Éstas van creciendo en ancho de distribución al expandirse y se van interceptando con otras redes de diferente origen. La representación entre modalidades sensoriales será apoyada por ese punto de intersección.

A lo largo de la formación de las redes no sólo afinidad sino también discrepancia. Conexiones divergentes facilitan convergencia simultánea de inputs de diferente origen en diferentes y dispersas regiones.

Las redes cognitivas están auto-asociadas ya que están formadas por inputs que llegan simultáneamente, en una correlación temporal, a grupos de células de redes existentes en la corteza de asociación donde éstos establecen nuevas conexiones.

Hay algunos estímulos sensoriales que son seleccionados por influencias que vienen de niveles más altos (corteza asociativa superior).

En cuanto a nivel de las neuronas individuales en las redes cognitivas, las mismas formas de conexión pueden unir grupos de células y los grandes grupos.

Las redes corticales son, en cierta forma, consideradas una capa de conexiones parecidas a modelos de redes de representaciones y procesamientos neuronales que incluyen capas de input, output y procesamiento. Éstas tienen tres características fundamentales, ya antes mencionadas: convergencia, divergencia y recurrencia. No obstante, las capas de las redes corticales y el proceso de éstas tienen particularidades que las distinguen de los modelos como, por ejemplo, que todos están organizadas de forma horizontal y yacen en la superficie de la corteza de forma tangencial. Así también la estructura conectiva, dentro y entre las redes, permite un proceso paralelo.

Una red cortical cognitiva puede, dentro de la percepción, procesar grandes cantidades de información y a la vez puede limitar grandes cantidades de información en poco a poco.

Para terminar, se puede mencionar una función característica de las redes corticales: su propiedad emergente. Ésta es la menos relacionada a esta estructura y la más difícil de definir y crear un modelo. En dos niveles de la jerarquía de las redes corticales, las representaciones son determinadas por asociaciones entre inputs externos y el hecho de conexiones en o cerca de las áreas principales. Conforme las redes llegan a partes superiores de la corteza asociativa, se vuelven capaces de generar representaciones que no pueden ser reducidas a sus inputs o componentes individuales neuronales. Estas representaciones son consecuencia del conjunto de interacciones entre muchos elementos de redes superiores movidas de receptores sensoriales o motores. La imaginación, la creatividad y la intuición son algunos de los atributos cognitivos las representaciones superiores emergentes.