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How the Brain Processes Sensory Information From Internal Organs – Neuroscience News

Resumen: Un nuevo estudio con ratones proporciona pistas sobre cómo el cerebro procesa la información sensorial de los órganos internos, revelando que la retroalimentación de los órganos activa diferentes grupos de neuronas en el tronco encefálico.

Fuente: harvard

La mayoría de nosotros pensamos poco en por qué nos sentimos placenteramente llenos después de una gran comida festiva, por qué comenzamos a toser después de inhalar accidentalmente el humo de una fogata o por qué sentimos náuseas repentinas después de ingerir algo tóxico. Sin embargo, tales sensaciones son cruciales para la supervivencia: nos dicen lo que nuestros cuerpos necesitan en un momento dado para que podamos ajustar rápidamente nuestro comportamiento.

Sin embargo, históricamente, se ha dedicado muy poca investigación a comprender estas sensaciones corporales básicas, también conocidas como sentidos internos, que se generan cuando el cerebro recibe e interpreta información de los órganos internos.

Ahora, un equipo dirigido por investigadores de la Escuela de Medicina de Harvard ha logrado nuevos avances en la comprensión de la biología básica de la detección de órganos internos, que implica una cascada complicada de comunicación entre las células dentro del cuerpo.

En un estudio realizado en ratones y publicado el 31 de agosto en Naturalezael equipo usó imágenes de alta resolución para revelar mapas espaciales de cómo las neuronas en el tronco cerebral responden a la retroalimentación de los órganos internos.

Descubrieron que la retroalimentación de diferentes órganos activa grupos discretos de neuronas, independientemente de si esta información es de naturaleza mecánica o química, y estos grupos de neuronas que representan diferentes órganos están organizados topográficamente en el tronco encefálico. Además, descubrieron que la inhibición dentro del cerebro juega un papel clave para ayudar a las neuronas a responder selectivamente a los órganos.

“Nuestro estudio revela los principios fundamentales de cómo se representan los diferentes órganos internos en el tronco encefálico”, dijo el autor principal Chen Ran, investigador en biología celular en el HMS.

La investigación es solo un primer paso para dilucidar cómo los órganos internos se comunican con el cerebro. Sin embargo, si los hallazgos se confirman en otras especies, incluidos los humanos, podrían ayudar a los científicos a desarrollar mejores estrategias terapéuticas para enfermedades como los trastornos alimentarios, la vejiga hiperactiva, la diabetes, los trastornos pulmonares y la hipertensión que surgen cuando la detección interna falla.

“Creo que comprender cómo el cerebro codifica las entradas sensoriales es uno de los grandes misterios de cómo funciona el cerebro”, dijo el autor principal Stephen Liberles, profesor de biología celular en el Instituto Blavatnik en HMS e investigador en el Instituto Médico Howard Hughes. “Aporta avances en la comprensión de cómo funciona el cerebro para generar percepciones y evocar comportamientos”.

Poco estudiado y poco entendido

Durante casi un siglo, los científicos han estado estudiando cómo el cerebro procesa la información externa para formar los sentidos básicos de la vista, el olfato, el oído, el gusto y el tacto que usamos para navegar por el mundo. Con el tiempo, han recopilado sus hallazgos para mostrar cómo se organizan las diversas áreas sensoriales del cerebro para representar diferentes estímulos.

A mediados de la década de 1900, por ejemplo, la investigación sobre el tacto llevó a los científicos a desarrollar el homúnculo cortical para el sistema somatosensorial, una ilustración que representa partes del cuerpo caricaturescas sobre la superficie del cerebro, cada parte posicionada para alinearse con el lugar donde está. procesados ​​y dibujados a escala según la sensibilidad.

En 1981, los profesores de Harvard David Hubel y Torsten Wiesel ganaron un Premio Nobel por su investigación sobre la visión, en la que mapearon metódicamente la corteza visual del cerebro mediante el registro de la actividad eléctrica de las neuronas individuales que respondían a los estímulos visuales.

En 2004, otro par de científicos ganaron un Premio Nobel por sus estudios del sistema olfativo, en los que identificaron cientos de receptores olfativos y revelaron con precisión cómo se organizan los olores en la nariz y el cerebro.

Sin embargo, hasta ahora, el proceso por el cual el cerebro detecta y organiza la retroalimentación de los órganos internos para regular las funciones fisiológicas básicas como el hambre, la saciedad, la sed, las náuseas, el dolor, la respiración, la frecuencia cardíaca y la presión arterial sigue siendo un misterio.

“La forma en que el cerebro recibe información desde el interior del cuerpo y cómo procesa esas entradas ha sido muy poco estudiada y mal comprendida”, dijo Liberles.

Esto quizás se deba a que la detección interna es más complicada que la detección externa, agregó Ran. Los sentidos externos, explicó, tienden a recibir información en un solo formato. La visión, por ejemplo, se basa enteramente en la detección de la luz.

Por el contrario, los órganos internos transmiten información a través de fuerzas mecánicas, hormonas, nutrientes, toxinas, temperatura y más, cada uno de los cuales puede actuar sobre múltiples órganos y traducirse en múltiples respuestas fisiológicas. El estiramiento mecánico, por ejemplo, señala la necesidad de orinar cuando ocurre en la vejiga, pero se traduce en saciedad cuando ocurre en el estómago y desencadena un reflejo para detener la inhalación en los pulmones.

Una constelación de neuronas.

En su nuevo estudio, Liberles, Ran y sus colegas se centraron en una región del tronco encefálico llamada núcleo del tracto solitario o NTS.

Se sabe que el NTS recibe información sensorial de los órganos internos a través del nervio vago. Transmite esta información a regiones cerebrales de orden superior que regulan las respuestas fisiológicas y generan comportamientos. De esta manera, el NTS sirve como puerta de entrada sensorial interna para el cerebro.

Los investigadores utilizaron una poderosa técnica llamada imágenes de calcio de dos fotones que mide los niveles de calcio en neuronas individuales en el cerebro como un indicador de la actividad neuronal.

El equipo aplicó esta técnica a ratones expuestos a diferentes tipos de estímulos de órganos internos y utilizó un microscopio para registrar simultáneamente las respuestas de miles de neuronas en el NTS a lo largo del tiempo. Los videos resultantes muestran las neuronas encendiéndose a lo largo del NTS, al igual que las estrellas parpadeando y apagándose en el cielo nocturno.

Las técnicas de imagen tradicionales, que implican insertar un electrodo para registrar un pequeño grupo de neuronas en un solo punto de tiempo, “son como ver solo un par de píxeles de una imagen a la vez”, dijo Ran. “Nuestra técnica es como ver todos los píxeles a la vez para revelar la imagen completa en alta resolución”.

Los hallazgos sugieren que la retroalimentación de diferentes órganos activa grupos discretos de neuronas en el tronco encefálico. La imagen es de dominio público

El equipo descubrió que los estímulos en diferentes órganos internos, por ejemplo, el estómago versus la laringe, generalmente activaban diferentes grupos de neuronas en el NTS. Por el contrario, los investigadores identificaron varios casos en los que estímulos mecánicos y químicos en el mismo órgano que a menudo provocan la misma respuesta fisiológica (como tos o saciedad) activaron neuronas superpuestas en el tronco encefálico. Estos hallazgos sugieren que grupos específicos de neuronas pueden estar dedicados a representar órganos particulares.

Además, los investigadores encontraron que las respuestas en el NTS estaban organizadas como un mapa espacial, al que denominaron “homúnculo visceral” en un guiño al homúnculo cortical análogo desarrollado hace décadas.

Finalmente, los científicos establecieron que la señalización de los órganos internos al tronco encefálico requiere la inhibición de las neuronas. Cuando usaron drogas para bloquear la inhibición, las neuronas en el tronco cerebral comenzaron a responder a múltiples órganos, perdiendo su selectividad previa.

El trabajo sienta las bases para “estudiar sistemáticamente la codificación de los sentidos internos en todo el cerebro”, dijo Ran.

Una base para el futuro

Los hallazgos plantean muchas preguntas nuevas, algunas de las cuales al equipo del HMS le gustaría abordar.

Ran está interesado en investigar cómo el tronco encefálico transmite información sensorial interna a regiones cerebrales de orden superior que producen las sensaciones resultantes, como hambre, dolor o sed.

Liberles quiere explorar cómo funciona el sistema de detección interna a nivel molecular. En particular, le gustaría identificar los receptores sensoriales primarios que detectan estímulos mecánicos y químicos dentro de los órganos.

Otra área de investigación futura es cómo se configura el sistema durante el desarrollo embrionario. Los nuevos hallazgos, dijo Liberles, sugieren que mirar solo el tipo de neurona no es suficiente; los investigadores también deben considerar dónde se encuentran las neuronas en el cerebro.

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“Necesitamos estudiar la interacción entre los tipos de neuronas y sus posiciones para comprender cómo se conectan los circuitos y qué hacen los diferentes tipos de células en el contexto de los diferentes circuitos”, dijo.

Liberles también está interesado en cuán generalizables son los hallazgos a otros animales, incluidos los humanos. Si bien muchas vías sensoriales se conservan entre especies, señaló, también existen importantes diferencias evolutivas. Por ejemplo, algunos animales no exhiben comportamientos básicos como toser o vomitar.

Si se confirma en humanos, los hallazgos de la investigación podrían eventualmente informar el desarrollo de mejores tratamientos para las enfermedades que surgen cuando el sistema sensorial interno no funciona correctamente.

“A menudo, estas enfermedades ocurren porque el cerebro recibe una respuesta anormal de los órganos internos”, dijo Ran. “Si tenemos una buena idea de cómo estas señales se codifican de manera diferencial en el cerebro, algún día podremos descubrir cómo secuestrar este sistema y restaurar la función normal”.

Otros autores incluyen a Jack Boettcher, Judith Kaye y Catherine Gallori de HMS.

Fondos: El trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (subvenciones DP1AT009497; R01DK122976; R01DK103703), la Iniciativa Científica de Alergia Alimentaria, una Beca Postdoctoral Leonard e Isabelle Goldenson, la Iniciativa Científica del Cerebro de Harvard y la Asociación Estadounidense de Diabetes.

Sobre esta noticia de investigación en neurociencia

Autor: Dennis Nealon
Fuente: harvard
Contacto: Dennis Nealon – Harvard
Imagen: La imagen es de dominio público.

Investigacion original: Acceso abierto.
“Un mapa del tronco encefálico para las sensaciones viscerales” por Chen Ran et al. Naturaleza


Resumen

Un mapa del tronco encefálico para las sensaciones viscerales

El sistema nervioso utiliza varias estrategias de codificación para procesar entradas sensoriales. Por ejemplo, el sistema olfativo utiliza grandes repertorios de receptores y está conectado para reconocer diversos olores, mientras que el sistema visual proporciona una gran agudeza de la posición, la forma y el movimiento de los objetos.

En comparación con los sistemas sensoriales externos, los principios que subyacen al procesamiento sensorial por parte del sistema nervioso interoceptivo siguen estando poco definidos.

Aquí desarrollamos una preparación de imágenes de calcio de dos fotones para comprender las representaciones de los órganos internos en el núcleo del tracto solitario (NTS), una puerta de entrada sensorial en el tronco encefálico que recibe entradas vagales y de otro tipo del cuerpo.

Centrándonos en los estímulos intestinales y de las vías respiratorias superiores, observamos que las neuronas NTS individuales están sintonizadas para detectar señales de órganos particulares y están organizadas topográficamente en función de la posición del cuerpo. Además, algunas entradas mecanosensoriales y quimiosensoriales del mismo órgano convergen centralmente.

Las entradas sensoriales involucran dominios NTS específicos con ubicaciones definidas, cada uno de los cuales contiene tipos de células heterogéneas. Las representaciones espaciales de diferentes órganos se agudizan aún más en el NTS más allá de lo que se logra solo con la clasificación de axones vagales, ya que el bloqueo de la inhibición del tronco encefálico amplía la sintonía neural y desorganiza las representaciones viscerales.

Estos hallazgos revelan características organizativas básicas utilizadas por el cerebro para procesar entradas interoceptivas.

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