Entender cómo funcionan los 10 mil millones de neuronas que forman parte del sistema nervioso central, y la forma en que están organizadas entre sí, es una tarea titánica que seguramente requiere de las aportaciones de varias generaciones de científicos. Se estima que los especialistas han logrado, cuando mucho, descifrar 10 por ciento -quizá es mucho- del funcionamiento de un órgano tan fascinante y complejo como es el cerebro humano.

El Premio Nacional de Ciencias y Artes 2000, en el Area de Ciencias Físico Matemáticas y Naturales, es compartido por los doctores en ciencias Jorge Aceves Ruiz, del Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, y por Ranulfo Romo Trujillo, del Instituto de Fisiología Celular de la Universidad Nacional Autónoma de México, interesados ambos en descifrar cómo se registra, a nivel neuronal, la información sensorial para desencadenar un movimiento o una reacción lógica a un estímulo captado por nuestros sentidos.

Se trata, sin embargo, de dos investigaciones totalmente distintas: mientras el grupo que encabeza Romo estudia la actividad de las neuronas a nivel de la corteza cerebral, el dirigido por Aceves trabaja en un nivel que se ubica en lo más profundo en el cerebro: los ganglios basales.

En la videocápsula piloto Neurología de la percepción -producida por la Dirección General de Divulgación de la Ciencia de la UNAM- el doctor Romo explica, mediante el ejemplo del penetrante olor de una cebolla que nos hace llorar: "Todo estímulo incide en áreas específicas del cerebro que generan la respuesta correspondiente. En este caso, esa respuesta tuvo que pasar por la memoria, reviviendo un recuerdo ya archivado. El estímulo se transforma en un impulso neuronal, un impulso eléctrico que viaja neurona por neurona hasta llegar al área del cerebro que genera la respuesta correspondiente.

"El conjunto de dichos estímulos neuronales es una representación del estímulo que llamaríamos código sensorial. El mensaje 'olor a cebolla' tendría siempre la misma estructura e igual cantidad de impulsos eléctricos, y estimulará las mismas áreas del cerebro. Esto es un lenguaje neuronal."

Gracias a esta investigación, en el futuro sabremos cuáles caminos recorre un estímulo antes de llegar a su correspondiente área cerebral y generar una reacción sensible y lógica. La información resultante será aplicable en la medicina, la computación y la robótica, ya que dichas actividades están relacionadas con el funcionamiento de las redes neuronales.

Justo donde termina la investigación de Romo, empieza la de Aceves: una vez integrada en la corteza cerebral la información de un estímulo sensorial táctil, se inicia un movimiento voluntario. Pero para que se realice ese movimiento, la información que recibió la corteza cerebral se tiene que procesar en los núcleos -ganglios basales- que estudia Aceves. Si esos núcleos no coordinan apropiadamente la información, explica el científico, el movimiento no se da. Este proceso de puede observar claramente en el mal del Parkinson: el enfermo integra bien la información sensorial a nivel de la corteza cerebral, pero lo que falla es el procesamiento de la información motora en los ganglios basales, núcleo en el que está involucrado el neurotransmisor -sustancia que permite la comunicación entre las células nerviosas- llamado dopamina y que participa particularmente en el control del movimiento. Cuando diminuyen las neuronas productoras de dopamina, el enfermo de Parkinson no puede moverse, no puede cruzar una calle o abrocharse la camisa; él quiere hacerlo, pero las instrucciones motoras no pueden salir de la corteza cerebral. Aceves se ha interesado en descubrir el porqué estas instrucciones no pueden ser procesadas por los núcleos basales, es decir, por qué se han perdido los movimientos voluntarios cuando se padece el mal de Parkinson.
 

Contribuciones de Ranulfo Romo a la codificación neuronal

Patricia Vega

La pregunta puede parecer sencilla: Ƒqué pasa en el cerebro cuando reaccionamos ante un olor o un estímulo que nos resulta familiar?

Pero establecer cómo se representan, en la actividad de las neuronas de la corteza cerebral, las características físicas de un estímulo sensorial, es uno de los mayores retos que enfrentan las neurociencias en la actualidad.

Luego de obtener un doctorado de Estado, en Ciencias, en la Universidad de París y de trabajar en diversos institutos de investigación en el extranjero, el doctor Ranulfo Romo Trujillo regresó a nuestro país en 1989 -repatriado por el Conacyt- y ese año comenzó el montaje de un laboratorio de neurofisiología en el Instituto de Fisiología Celular de la UNAM, con el objetivo de estudiar los mecanismos cerebrales que determinan la percepción sensorial, campo en el que su equipo de investigación es considerado líder a nivel mundial.

Las contribuciones

A partir del establecimiento de que el cerebro y el sistema nervioso de los primates tienen un gran parecido con el de los humanos -los monos perciben los estímulos como lo hacemos nosotros, hecho que ha llevado al reconocido científico estadunidense Roger Fouts a afirmar que los chimpancés son nuestros "primos hermanos"-, Romo y sus colaboradores han realizado diversos experimentos en los que los monos son premiados si, al recibir ciertos estímulos, responden apretando los botones correctos. Con la ayuda de un robot electromecánico controlado por interfaces electrónicas y logaritmos computacionales, el equipo logró describir, paso a paso, cómo una población de neuronas de la corteza somatosensorial del primate representa, en su actividad, los atributos físicos de un estímulo táctil.

De acuerdo con el documento preparado para postular al científico premiado, una de las primeras aportaciones del equipo encabezado por Romo fue realizar la primera demostración formal de cómo el cerebro representa cantidades físicas de un estímulo sensorial -se requieren aproximadamente mil neuronas para codificar la dirección de un estímulo táctil- que es relevante para la percepción sensorial; posteriormente encontraron la relación entre la actividad de las neuronas de la corteza somatosensorial y la percepción de estímulos táctiles y abordaron un problema que no había sido considerado anteriormente por ningún laboratorio: el enlace entre las regiones sensoriales y motoras del cerebro durante la percepción sensorial.

Las aportaciones más recientes

En la propia postulación se consideró que las contribuciones más recientes de Ranulfo Romo -realizadas en el Instituto de Fisiología Celular- son fundamentales en el campo de la fisiología sensorial: descubrió el patrón de actividad de neuronas de la corteza somatosensorial, relacionado con la discriminación de los estímulos vibrotáctiles. Microestimuló eléctricamente las neuronas sensoriales, simulando el patrón de descarga provocado por los estímulos naturales; el resultado fue que los estímulos artificiales fueron interpretados por los monos como si fueran sensoriales. Los animales realizaron discriminaciones prácticamente idénticas a las obtenidas con los estímulos naturales. El descubrimiento es fundamental para entender los códigos que determinan la percepción sensorial y demostrar, por primera vez y en términos cuantitativos, cómo se construye una sensación por un circuito de neuronas del cerebro.

La etapa siguiente de su investigación condujo a Romo a reportar que la capacidad discriminatoria del mono depende de la actividad de un tipo de columna de neuronas de la corteza somatosensorial primaria, hallazgo considerado como la primera demostración formal del papel funcional de una columna de neuronas de la neocorteza. Es decir, Romo y sus colaboradores pusieron en evidencia un código neural que es útil para una función. El otro descubrimiento, realizado en esta etapa, se refiere a que cuando los animales discriminan entre dos estímulos vibrotáctiles, lo hacen comparando el segundo contra la traza del pri- mero, involucrando una memoria de corto plazo. ƑCómo y dón-de ocurre la memorización del primer estímulo para compararlo con el segundo? El investigador en-contró que la memoria de corto plazo es paramétrica, es decir, los atributos físicos del estímulo sensorial son memorizados por las neuronas de la corteza prefrontal. Este hallazgo abre la posibilidad de investi- gar cómo el cerebro memoriza estímulos multidimensionales, además de la búsqueda de una explicación más amplia del mecanismo cerebral de la memoria en general.

RANULFO ROMO. Nació el 28 de agosto de 1954, en Guadalupe de Ures, Sonora. Es médico cirujano por la Facultad de Medicina de la Universidad Nacional Autónoma de México (1978) y doctor en Ciencias (doctorado de Estado) por la Universidad de París (1985).

EXPERIENCIA PROFESIONAL

Investigador titular C-TC (1989 a la fecha), Instituto de Fisiología Celular, UNAM.

Johns Hopkins University School of Medicine (1987-1989), Baltimore, Estados Unidos.

Institut de Physiologie (1985-1987). Université de Fribourg, Suiza.

Collège de France (1981-1984), París, Francia.

División de Neurofisiología (1978-1981), Departamento de Investigación Científica, Centro Médico Nacional, Intituto Mexicano del Seguro Social, México, DF.

SERVICIOS

Miembro del Comité de Evaluación del Area 2, Sistema Nacional de Investigadores (1996-1998).

Miembro del Consejo Interno, Instituto de Fisiología Celular, UNAM (1995-1999).

Miembro del Consejo Universitario, UNAM (1998-1999).

Miembro de la Comisión Dictaminadora del Instituto de Investigaciones Biomédicas, UNAM (1999 a la fecha).

Revisor de proyectos Conacyt, Israel Academy of Sciences, Johns Hopkins University.

Revisor de artículos Nature, Neuron, Journal of Neuroscience, Journal of Neurophysiology, European Journal of Neuroscience, Journal of Neuroscience Methods, Journal of Computational Neuroscience.

DISTINCIONES

Demuth Prize 1990, Swiss Medical Research Foundation, Berna, Suiza.

International Research Scholar Award of the Howard Hughes Medical Institute, 1991-1996, con una prolongación hasta 1999.

Becario Guggenheim 1991.

Investigador Nacional Nivel III, Sistema Nacional de Investigadores (1992 a la fecha).

Premio Miguel Alemán Valdés 1994, Area de la Salud. Fundación Miguel Alemán, AC, México, DF.

Premio de Ciencia y Tecnología Manuel Noriega Morales 1994, Area de Ciencias Biológicas. Organización de los Estados Americanos (OEA), Washington, DC.

Distinción Universidad Nacional Autónoma de México a Jóvenes Académicos 1994, Area de Ciencias Naturales, México, DF.

Premio Dr. Maximiliano Ruiz Castañeda 1995, Investigación Básica.

Academia Nacional de Medicina, México, DF.

Premio Dr. Maximiliano Ruiz Castañeda 1997, en Investigación Básica. Academia Nacional de Medicina, México, DF.

Premio Dr. Maximiliano Ruiz Castañeda 1998, en Investigación Básica. Academia Nacional de Medicina, México, DF.

Premio Dr. Maximiliano Ruiz Castañeda 2000, en Investigación Básica. Academia Nacional de Medicina, México, DF.

Premio Nacional de Ciencias y Artes 2000. México, DF.

SOCIEDADES CIENTIFICAS

Sociedad Mexicana de Ciencias Fisiológicas.

Academia Mexicana de Ciencias, AC.

The Society for Neuroscience (1991 a la fecha).

TESIS DIRIGIDAS

Dos de licenciatura, tres de maestría, dos de doctorado y dos de posdoctorado.

LIBROS EDITADOS

Rodumín, P., Arbib, M. A., Cervantes, F. & Romo, R. Neuroscience: From Neural Networks to Artificial Intelligence. Springer Verlag, NY, 1993.

Rudomín, P., Romo, R. & Mendell, L. Presynaptic Inhibition and Neural Control. Oxford University Press, NY, 1998.

Contribuciones de Jorge Aceves para entender la acción de la dopamina en los ganglios basales

Patricia Vega

La finalidad de los experimentos en ratas, del equipo de investigación que encabeza el doctor Jorge Aceves Ruiz, es ver cómo actúa la insuficiencia de dopamina en la inhibición de la realización de los movimientos voluntarios y recientemente ha lanzado la hipótesis (aún temprana, reconoce el investigador) de cómo el exceso de dicha sustancia podría incidir en la esquizofrenia.

La diferencia respecto a los investigadores del resto del mundo es que Aceves Ruiz y sus colaboradores han demostrado que la acción de la dopamina no se ejerce en un solo núcleo -el cuerpo estriado- como piensa la mayoría de los especialistas, sino que también lo hace en los ganglios basales, en las terminales nerviosas, estudiando los acciones presinápticas.

La mejor técnica

Sin falsa modestia, Aceves Ruiz reconoce haber desarrollado con su equipo la mejor técnica que hay en el mundo para estudiar la acción de la dopamina a nivel de las terminales nerviosas, y que consiste en marcar radioactivamente al neurotransmisor para cuantificar con una precisión extraordinaria el efecto de los compuestos que usan -inhibidores o fármacos- y encontrar la afinidad que hay entre el receptor y el neurotransmisor para determinar lo que en farmacología se llama dosis, curvas y efectos. Así, a partir de entender cómo actúa la dopamina e interacciona con otras sustancias, nuestro estudio puede sugerir a los clínicos que usen determinados compuestos farmacológicos por su utilidad en el control de la enfermedad de Parkinson.

El experimento

A una rata normal se le lesionó la entrada dopaminérgica del cuerpo estriado y no se produjo el Parkinson. Después, los investigadores se fueron a otro núcleo -en el que previamente los investigadores demostraron que la acción de la dopamina es muy importante- y aplicaron la toxina que produce la disminución de la dopamina y demostraron que es el otro núcleo el que dispara el Parkinson.

La etapa siguiente sería echar a andar a esta rata "parkinsónica". En la actualidad, el enfermo de Parkinson y como resultado de los problemas del uso de la Levodopa, se está usando como un método alternativo la estimulación eléctrica del pálido interno y del núcleo subtalámico, pero el doctor Aceves y su equipo proponen, en función de lo que saben de los ganglios basales, que lo que hay que estimular es el pálido externo para lograr un mejor control de la enfermedad.

Para probar su hipótesis, aplicarán electrodos al pálido externo de la rata parkinsónica para ver si logran que vuelva a caminar; es como intentar revertir el proceso para tratar de restituir el movimiento perdido en la enfermedad, manipulando -ya sea farmacológicamente o por estimulación eléctrica- ciertos núcleos para lograr que las instrucciones motoras salgan de la corteza cerebral.

Este equipo de investigadores también utiliza técnicas de microdiálisis cerebral, en la que correlacionan lo que está pasando en nivel de los diversos núcleos cerebrales afectados, con la conducta del animal por medio de micromuestras para ver el resultado de las manipulaciones ejercidas en el mismo. Así se han obtenido información relevante a partir del uso de uno de los neurotransmisores inhibitorios universales -el GABA- y el neurotransmisor exitatorio, que es el ácido glutámico; ambos neurotransmisores están regulados por la dopamina.

Este tipo de técnica experimental, la microdiálisis cerebral, desarrollada en el animal no anestesiado, en libre movimiento, les ha permitido saber cómo la dopamina está regulando la transmisión que usa el neurotransmisor exitatorio y el inhibitorio, y correlacionarlo con la conducta.

La aportación

El equipo de Aceves propone que las toxinas degeneradoras se apliquen en los núcleos en que se encuentran las terminales de las neuronas. Además, plantea hacerlo por etapas, aplicando la toxina de manera selectiva, para así producir una degeneración parcial y así ir discriminando cuáles neuronas son importantes para disparar la enfermedad. En el mal de Parkinson, se requiere la pérdida de la dopamina en el cuerpo estriado entre 80 y 90 por ciento para que éste se manifieste y siempre se ha preguntado por qué se requiere tal cantidad. Lo que el experimento demuestra es que cuando se degeneran las neuronas del pálido externo, se dispara el padecimiento.

En teoría, si se administra dopamina o se estimula eléctricamente el pálido externo de la rata enferma, ésta tendría que caminar. Si dicha teoría funciona, el doctor Jorge Aceves Ruiz propondrá a sus colegas clínicos realizar pruebas en seres humanos.

JORGE ACEVES RUIZ. Nació el 12 de noviembre de 1929 en Tapachula, Chiapas. Es médico cirujano por la Facultad de Medicina de la UNAM (1957) y doctor en Ciencias en Fisiología y Biofísica por el Cinvestav-IPN (1971).

EXPERIENCIA PROFESIONAL

Becario Laboratorios Syntex de México, 1954, Instituto Nacional de Cardiología de México.

Investigador Ayudante. 1958-1960. Departamento de Farmacología del Instituto Nacional de Cardiología.

Fellow of the Rockefeller Foundation, 1961-1962, Escuela de Medicina de la Universidad de Illinois, Chicago.

Profesor de Fisiología, 1959-1960, Facultad de Medicina, UNAM.

Investigador titular, 1963-1965, Departamento de Farmacología del Instituto Nacional de Cardiología.

Becario del Instituto Nacional de la Investigación Científica, 1965, Cinvestav-IPN.

Instructor en Fisiología, 1965, Cinvestav-IPN.

Encargado de la Sección de Pruebas de Medicamentos para el IMSS, 1965-1969, Cinvestav-IPN.

Representante de la Dirección General del IMSS en la Comisión del Cuadro Básico de Medicamentos del propio instituto, 1965-1966.

Profesor Adjunto, 1967-1969, Departamento de Fisiología y Biofísica, Cinvestav-IPN.

Fellow of the John Simon Guggenheim Foundation, 1970, Escuela de Medicina, Universidad de Yale.

Profesor de Fisiología, 1971-1972, Facultad de Medicina, UNAM.

Profesor titular, 1971 a la fecha, Departamento de Fisiología y Biofísica, Cinvestav-IPN.

Encargado de los cursos de posgrado, 1972-1974, Departamento de Fisiología y Biofísica, Cinvestav-IPN.

Miembro propietario de la Comisión Dictaminadora para la Evaluación del Personal Académico del Departamento de Fisiología de la Facultad de Medicina de la UNAM, 1972-1973.

Jefe del Departamento de Fisiología y Biofísica, Cinvestav-IPN, 1974-1978.

Presidente de la Comisión Ordinaria de Promoción y Becas de Exclusividad del Cinvestav-IPN, 1984-1986.

Profesor Invitado del Curso Avanzado de Neurociencias, organizado por el Instituto de Cultura Hispánica (España) y el Centro Internacional de Estudios Avanzados (Venezuela), Caracas, 1985.

Profesor Invitado para presidir el simposio Métodos y Técnicas en el Estudio del Sistema Nervioso Central, organizado por la Sociedad Mexicana de Ciencias Fisiológicas, Puebla, 1986.

Profesor Invitado en el Simposio Internacional de Neurociencias, organizado por el Instituto de Biología Celular de la Universidad de Buenos Aires, 1986.

Profesor Visitante en el Departamento de Farmacología de la Universidad de Cambridge, 1992.

Profesor del curso Sistema Nervioso Central in vitro, Montevideo, 1992.

Miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Area 2, Nivel III, 1984 a la fecha.

Profesor visitante en la Emory University School of Medicine, Atlanta, 1995.

Profesor emérito de Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, 1996.

Investigador Emérito del Sistema Nacional de Investigadores, 1997.

Obtención de la Cátedra Patrimonial de Excelencia Nivel I, 1998.

SOCIEDADES CIENTIFICAS

Presidente de la Sociedad Mexicana de Ciencias Fisiológicas, 1981-1982.

Sociedad Mexicana de Ciencias Fisiológicas.

Asociación Mexicana de Farmacología, AC.

American Society for Neuroscience.

RECONOCIMIENTOS

Premio Cinvestav como Líder en la Formación de Investigadores 1992.

TESIS DIRIGIDAS

Quince de maestría y 19 de doctorado.

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