Presentación de la Conferencia Divulgativa en Zientziateka de Carlos Matute sobre "El GPS del...
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El GPS del cerebro: cómo nos orientamos en el espacio Carlos Matute [email protected] Zientziateka | Alhóndiga Bilbao, 12 de noviembre 2014
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La Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU y Alhóndiga Bilbao organizan el ciclo de conferencias Zientziteka, que en este caso, con motivo del anuncio de los Premio Nobel 2014, pretende acercar a la sociedad la importancia de los hallazgos realizados, y que han merecido el galardón en cada área. En esta conferencia, Carlos Matute, catedrático del Departament de Neurociencias de la UPV/EHU y Director Científico del centro de investigación Achucarro Basque Center for Neuroscience, explica los descubrimientos que han sido premiados con el Nobel de Medicina y Fisiología 2014.
Transcript of Presentación de la Conferencia Divulgativa en Zientziateka de Carlos Matute sobre "El GPS del...
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El GPS del cerebro: cmo nos
orientamos en el espacio Carlos Matute
Zientziateka | Alhndiga Bilbao, 12 de noviembre 2014
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Sinopsis
Los Premios Nobel
Premios Nobel a las Neurociencias
El cerebro humano
Importancia del descubrimiento del GPS cerebral: un avance crucial: Los
descubridores, Los experimentos
Neuroanatoma del GPS cerebral: El hipocampo, La corteza entorrinal
Las clulas de lugar y las clulas de cuadrcula
Por qu se pierde el sentido de la orientacin en la enfermedad de
Alzheimer
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Los Premios Nobel
Galardonan investigaciones, descubrimientos o contribuciones notables a la humanidad
Se instituyeron en 1895 como ltima voluntad de Alfred Nobel, qumico, ingeniero e inventor de la dinamita y otros explosivos
El Premio Nobel de Medicina y Fisiologa es elegido por una Asamblea constituida en el seno del prestigioso Instituto
Karolinska
Los premios se otorgaron por primera vez en 1901
Se reconoci a Wilhelm Rntgen por descubrimiento de los Rayos X
Cuatro personas lo ha recibido dos veces
Entre ellas, Marie Curie (1903 en Fsica, 1911 de Qumica)
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Premios Nobel en Neurociencias
1906 C.Golgi y S. Ramn y Cajal (Italia/Espaa) por las investigaciones en la estructura del sistema nervioso.
1979 A.M. Cormack y Sir G. N. Hounsfield (Estados Unidos/Reino Unido) por la invencin del la tomografa
computarizada.
1991 E. Neher y B. Sakmann (Alemania) por las investigaciones en la funcin de los canales inicos en las
clulas.
1997 Stanley B. Prusiner (Estados Unidos) por el descubrimiento de los priones.
2004 L. Buck y R. Axel (Estados Unidos) por el descubrimiento de los receptores del olfato y la organizacin
del sistema olfatorio.
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Cajal en su laboratorio
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La textura del sistema nervioso
S. Ramn y Cajal (1899)
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Polaridad funcional de las
neuronas
Axones, dendritas y sus
espinas
Sinapsis
Nmero de sinapsis:
10.000 por neurona
100 billones en todo
el cerebro
La doctrina neuronal
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Sinapsis excitadoras e inhibidoras
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Visto de lado
Peso adulto: alrededor de 1.5 kg
Sustancia gris y sustancia: 50%
Tamao adulto: una coliflor
Consume el 20% de la energa total
El cerebro humano (I)
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Neuronas
Casi 100 mil millones
(se estiman unos 86.000 millones)
Clulas Gliales
Diez veces ms que neuronas
(1 billn)
Conexiones
5 millones de Kilmetros
(ms de100 vueltas a la Tierra)
Genes (varios miles)
Tomografa por difusin
El cerebro humano (II)
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John O'Keefe
University College London, Inglaterra
Doctor en Psicologa, McGill University, Montreal
May Britt Moser y Edvar I. Moser
Kavli Institute for Systems Neuroscience, Noruega
Doctores Psicologa, Oslo University
Premio Nobel al GPS cerebral
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John O'Keefe
En 1971, descubri el primer elemento de este sistema de posicionamiento.
Encontr un tipo de clulas nerviosas en un
rea del cerebro llamada hipocampo, que siempre se activaban cuando una rata se
encontraba en un lugar determinado en una
habitacin. Y cuando la rata cambiaba de
espacio, se activaban otras clulas nerviosas
diferentes.
Concluy que estas clulas de posicionamiento forman el mapa de la
habitacin en el cerebro.
Clulas
de Lugar
Place Cells
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May-Britt y Edvard Moser
En 2005 descubrieron otro componente clave del sistema de posicionamiento del
cerebro.
Identificaron otro tipo de clula nerviosa, que llamaron clulas cuadrcula, que
generan un sistema de coordenadas y
permite un posicionamiento preciso y la
bsqueda de caminos.
Su investigacin posterior mostr cmo las clulas de posicionamiento y las
clulas cuadrcula permiten determinar la
posicin y desplacerse sin error.
Las clulas de cuadrcula se encuentran en la corteza entorrinal
Clulas de
Cuadrcula
Grid Cells
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Sistema visual
Sistema motor
El cerebro recibe informacin y ejecuta
acciones
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Cada regin del cerebro tiene funciones
diferentes
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Mapa topogrfico obtenido mediante el estudio de las
respuestas a la estimulacin elctrica
Homnculo de Penfield
Representacin motora y sensitiva en la
corteza cerebral
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Retinotopa:
Mapa espacial de lo que ve el ojo
Retina Corteza visual Mapas de orientacin
Representacin cortical
compleja
Moser et al. (2014) Nature Rev Neurosci
Representacin del entorno visual en la
corteza cerebral
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Hablando
palabras
Actividades mentales diversas
ocurren en lugares diferentes
que se pueden visualizar con PET
Reto
conocer en detalle
cmo se generan estos mapas de
actividad normal y patolgica
El cerebro en accin
Escuchando
palabras
Viendo
palabras Pensando
palabras
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Reto: cmo nos orientamos?
Cmo crea el cerebro un mapa del espacio que nos rodea y cmo podemos navegar a travs de un complejo entorno?
El sentido del espacio y la capacidad de navegar son fundamentales para nuestra existencia.
Necesitamos un sistema global de posicionamiento, un GPS interno, en el cerebro.
El GPS se encuentra localizado en el hipocampo y la corteza entorrinal
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Anatoma del hipocampo y la regin
parahipocampal
El hipocampo es fundamental
en la formacin y
consolidacin de la memoria
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El cerebro de la rata como modelo del
humano
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El hipocampo y la corteza entorrinal estn
interconectados
Moser et al. (2014) Nature Rev Neurosci
El hipocampo
toma su
nombre de su
forma, parecida
a la de un
caballito de
mar, cuyo
nombre
cientfico es
hippocampus
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El descubrimiento de John O'Keefe:
las clulas de lugar (I)
Modelo experimental mtodos neurofisiolgicos
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El descubrimiento de John O'Keefe:
las clulas de lugar (II)
Coloc electrodos en el hipocampo en ratas que se movan libremente por una habitacin y descubri que ciertas clulas
nerviosas se activan cuando el animal se ubica en un lugar
particular.
Concluy que el hipocampo genera numerosos mapas.
La memoria de un entorno poda ser almacenada como una combinacin especfica de las actividades celulares lugar en
el hipocampo.
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Primeros hallazgos 1971
OKeefe and Dostrovsky (1971) Brain Research
Las clulas se activan
en una posicin y una
orientacin
determinada
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OKeefe (1976) Experimental Neurology
La mayora de las clulas registran
una posicin de tamao variable
Teora del mapa espacial del hipocampo
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Test de Morris
La rata tiene que
llegar y encontrar
una plataforma
situada aqu Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=LrCzSIbvSN4
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Morris et al. (1982) Nature
Las ratas con el
hipocampo lesionado
necesitan ms tiempo
para encontrar la
plataforma
Las lesiones del hipocampo causan
desorientacin espacial
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Mapa de actividad de una clula de lugar
Campo receptor espacial especfico
Moser et al. (2014) Nature Rev Neurosci
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El descubrimiento de E. M-B. Moser:
las clulas de cuadrcula
Encontraron un patrn sorprendente de actividad espacial en una parte cercana del cerebro llamada la corteza entorrina.
Se activaban ciertas clulas (clulas de cuadrcula) cuando la rata pasaba por varias ubicaciones dispuestas en una
retcula hexagonal
Observaron que cada una de estas clulas constituan un sistema de coordenadas que permite la navegacin espacial
La clulas de cuadrcula forman circuitos con las clulas de lugar formando el GPS interno en el cerebro
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Representacin espacial en la corteza
entorrinal
Fyhn et al (2004) Science
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Dnde est mi coche?
La memoria espacial est codificada en la corteza entorrinal y el
hipocampo
Ambos estn interconectados
Otras regiones corticales prximas proveen informacin visuoespacial a
la corteza entorrinal, donde se crea
una representacin espacial
independiente del contexto
(referencias)
La representacin de lugar concreta, dependiente del contexto, la genera
el hipocampo
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Mapa de actividad de una clula de
cuadrcula
Campo receptor espaciado regularmente de forma hexagonal
Moser et al. (2014) Nature Rev Neurosci
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Formacin del mapa hexagonal
Moser et al. (2014) Nature Rev Neurosci
Tiempo Espacio vs inhibicin Activacin intensa
Se forma
instantneamente
Su resolucin
depende del espacio
Las seales de referencia
han de ser claras
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El GPS cerebral est daado en la
enfermedad de Alzheimer
En el cerebro humano hay clulas de lugar y cuadrcula
En la enfermedad de Alzheimer se pierde el sentido de la orientacin
El hipocampo y la corteza entorrinal estn daados en esta enfermedad
Los hallazgos del GPS cerebral servirn para avanzar en su
conocimiento y en la comprensin del Alzheimer pero
lamentablemente no en su tratamiento.
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Normal Alzheimer
En la enfermedad de Alzheimer el cerebro
se atrofia
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Todava no se conoce qu causa el inicio de
la enfermedad de Alzheimer,
pero sabemos qu cambios se producen en
el cerebro cuando tiene esta dolencia
PET de
cerebro normal
PET de cerebro
enfermo Alzheimer
La actividad cerebral disminuye ne la
enfermedad de Alzheimer
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Placas y ovillos: Los signos del Alzheimer
El cerebro de los pacientes con EA tienen dos estructuras anormales
un Ovillo
una Placa
Ovillos neurofibrilares, que son
fibras enrolladas que se forman
dentro de las neuronas
Placas de beta-amiloide, que
son depsitos densos de
protena y material celular que
se acumula fuera y alrededor
de las clulas
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El inicio de la enfermedad de Alzheimer
Los primeros signos aparecen en la corteza entorrinal y se
trasladan al hipocampo
Se atrofian las regiones afectadas al morirse sus
neuronas
Los cambios pueden empezar 10-20 aos antes del inicio de
los sntomas
La prdida de memoria es el primer signo de la enfermedad
de Alzheimer.
Enfermedad de Alzheimer
pre-clnica
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El dao cerebral en la enfermedad de
Alzheimer
Hipocampo
Donde los recuerdos
recientes se convierten en
memoria duradera
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Recapitulando
Las neuronas de lugar:
Se sitan en el hipocampo
Se activan cuando nos encontramos en un lugar determinado
Se excitan incluso en la oscuridad
Las neuronas de cuadrcula:
Se sitan en la corteza entorrinal
Se activan en diferentes posiciones dentro de un espacio
Generan un patrn regular que abarca el entorno local
El descubrimiento del GPS cerebral supone la comprensin de cmo conjuntos de neuronas ejecutan funciones cognitivas
complejas
Abre nuevas vas de estudio para otros procesos cognitivos como la memoria, el pensamiento y la planificacin.
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Eskerrik asko
Muchas gracias
Carlos Matute [email protected]
Departamento de Neurociencias, Facultad de Medicina y Odontologa, UPV/EHU (Leioa)
Achucarro Basque Center for Neuroscience
