Artículos Científicos, Fisiología de la Cognición y su Relación con el Síndrome de la Disritmia Tálamocortical

Académico Honorario Dr. Rodolfo R. Llinas M.D., Ph. D.*
* Departamento de Fisiología y Neurociencia, Facultad de Medicina, Universidad de Nueva York. Presentado en la Academia Nacional de Medicina, sesión especial del 28 de noviembre de 2002. “Bases neuronales de la conciencia y sus modificaciones en neurología y psiquiatría”.

Resumen

Uno de los aspectos esenciales de la organización neuronal en la función global del cerebro es la rica interconectividad tálamocortical y muy particularmente la naturaleza recíproca de este circuito.

Además, la interacción entre los sistemas talámicos específicos e inespecíficos a nivel cortical sugiere que el tálamo, más que una simple compuerta para el cerebro, representa un epicentro mediante el cual todas las áreas corticales pueden comunicarse entre sí de modo isocrónico con independencia de la distancia transcortical.

Los objetivos de este artículo son explorar:

1) la propuesta de que la coincidencia temporal, a gran escala, de la actividad talámica específica e inespecífica genera los estados funcionales que caracterizan la cognición humana; y
2) la posible relación entre la disritmia tálamocortical y algunas enfermedades neuropsiquiátricas.

Palabras clave: consciencia, disritmia tálamocortical, oscilación gamma, facilitación, detección por coincidencia y colorante sensible a voltaje. (Lea también: Fisiología de la cognición, Resumen y Conclusiones)

La cognición como propiedad cerebral intrínseca

Consideremos, para empezar, dos propuestas cruciales que vinculan la cognición a la función cerebral global.

Primera, que el estado cognitivo es tan solo uno de los diversos estados funcionales globales que el cerebro puede generar y segunda, que tal estado se relaciona más estrechamente con la actividad intrínseca que con la actividad sensorial (v.g. soy consciente de la implicación futura de mis presentes actos).

De hecho, hace más de una década sugerí que la conciencia es un estado funcional de tipo onírico el cual, más que ser generado, es modulado por los sentidos (1).

Según este punto de vista, los eventos internos, tales como el pensamiento, la imaginación o la memoria, se hallan estrictamente confinados a la actividad neuronal intrínseca que transita por nuestros circuitos neuronales de un modo recurrente.

Esta propuesta se apoya en el hecho de que un alto porcentaje de la conectividad cerebral es de naturaleza recurrente y que no es tanto la entrada sensorial, como la actividad neuronal intrínseca, la que la impulsa (2).

Así pues, la cognición (la capacidad de sentir, juzgar, responder y recordar) es uno de los posibles estados funcionales del cerebro. Otros, como el dormir sin ensueños, el estado de coma o el estado epiléptico, no generan tal cognición, ni el sentimiento de la autoconciencia.

Tal vez la diferencia más espectacular entre los diversos estados cerebrales globales es la que existe entre la vigilia y el sueño delta sin ensueños.

Es bien sabido que el sueño ocurre sin cambios anatómicos que pudieran explicar la disparidad entre estos dos estados, indicando con ello que la diferencia debe ser funcional. Esto es evidente si consideramos la rapidez con que despertamos ante un estímulo sensorial intenso (v.g. reloj despertador).

También resulta claro que, dado el gran número de elementos neuronales involucrados, el único sustrato capaz de generar cambios tan veloces entre estados tan profundamente diferentes debe ser de naturaleza eléctrica y sustentarse en la coherencia temporal.

En otras palabras, la actividad eléctrica neuronal organizada globalmente, junto con sus interacciones sinápticas, son el único mecanismo suficientemente rápido para iniciar o terminar abruptamente la vigilia desde el estado de ensueño.

Estos datos, junto con la velocidad con que podemos percibir y responder a nuestro ambiente, están entre las claves más importantes que tenemos sobre la naturaleza de la consciencia.

Respecto a la localización de tal actividad, la neurología clásica nos dice que las lesiones en la corteza cerebral del mamífero pueden ocasionar diversas situaciones disfuncionales bien definidas que modifican o reducen la consciencia.

Daño a la corteza del polo occipital se acompaña de ceguera de diversos tipos, según la localización del insulto cortical. Similares hallazgos también se encuentran en otras estructuras corticales; así, lesiones en las cortezas auditiva, somatosensorial, motora o premotora se acompañan de trastornos bien definidos.

De hecho, la primera lesión neurológica que dio a conocer la localización de la función cortical fue la disartria producida por daño en el área de Broca.

En vista de ello se aceptó históricamente que la cognición puede equipararse con la función cortical.

Sin embargo, esta perspectiva ignora el hecho que el sistema nervioso es profundamente reentrante en su conectividad. Como tal, es más factible que se trate de una organización córtico-subcortical, dinámicamente recurrente, que de una organización estrictamente jerárquica que termine en la corteza como punto final.

Dada la popularidad de la concepción jerárquica vale la pena subrayar algunos de los problemas que tal hipótesis crea.

La actividad neuronal en una estructura jerárquica tendería a la convergencia neuronal, en la que cada célula representaría un paso más hacia el reconocimiento sensorial, proceso que culminaría con el famoso concepto de neurona-abuela (es decir, lleva a la idea de que hay neuronas especializadas que representan cada uno de los objetos de nuestra cognición, como por ejemplo, la imagen de nuestra abuela).

Este planteamiento tiene, entre otras, las siguientes limitaciones:

i) el número de posibles perceptos es muy superior al número total de neuronas en el manto cortical; más aún, dado el carácter convergente de la arquitectura jerárquica, el número de tales neuronas (abuela) tendría que ser un pequeño porcentaje del número total de neuronas corticales (3).

ii) el número de neuronas especializadas representando cada una un componente de la realidad, sería tan exorbitante que haría inmanejable el problema de encontrar la neurona específica y el tiempo requerido para hacerlo haría la cognición muy lenta.

Tiene interés aquí el hecho de que tal teoría puede demostrarse falsa haciendo un sencillo experimento de psicofísica; en cualquier estrategia secuencial tomaría mucho más tiempo concluir que la cara no es conocida (ello implicaría efectuar comparaciones con todas las “caras conocidas”) que el que tomaría concluir que la cara es familiar (la búsqueda persistiría sólo hasta “encontrar” la cara conocida).

El resultado de tal experimento es claro: el promedio de tiempo requerido para identificar una cara como familiar o como desconocida es aproximadamente el mismo; es decir, la organización neuronal básica no es secuencial sino paralela.

Y iii), finalmente, la hipótesis de la neurona-abuela no explica cómo tales neuronas comunicarían al resto del sistema nervioso su “integración perceptual” única en la cima (los elementos específicos de una categoría dada).

En otras palabras, considerando su posición única en la cima de la jerarquía, ¿cómo comunicaría la célula abuela lo que sabe al resto de las neuronas?

Si por el contrario, las categorías se generan mediante un mapeo espacio/temporal en el sistema tálamocortical, una representación dinámica basada en la coherencia temporal tendría la rapidez necesaria para sustentar las constantes de tiempo de la cognición.

Así, es posible considerar que un mapeo simultáneo aprovecharía la organización paralela y sincrónica de las redes cerebrales para generar la cognición.

Las hipótesis que discutimos ahora derivan de dos áreas de investigación:

1) registros electrofisiológicos de células únicas y de redes celulares realizados en animales tanto in vivo como in vitro y

2) mediciones de la función cerebral humana con imágenes obtenidas con técnicas no invasivas, particularmente con la magnetoencefalografía (MEG).

La discusión gira en torno de la suposición de que las propiedades eléctricas intrínsecas de las neuronas y los eventos dinámicos derivados de su conectividad, resultan en estados resonantes globales conocidos como consciencia.

A la luz de este enfoque, la literatura actual se interesa por dos perspectivas relacionadas, referentes al mecanismo real de esta condición funcional. Una de ellas postula que los eventos coherentes que resultan en cognición ocurren a nivel cortical, y que tales eventos corticales son el sustrato primario de la conjunción (binding).

Una segunda perspectiva propone que el sustrato debe ser tálamo-cortical y no puramente cortical (1, 7). Examinemos alguna de las razones que apoyan la segunda propuesta.

Pese a que la corteza recibe un gran número de aferentes no talámicos, el daño al tálamo es cognitivamente equivalente al daño a la corteza a la que proyecta.

Resultados experimentales con técnicas no invasivas como la MEG en humanos y la investigación con registros extra e intracelulares en animales in vivo (8) indican que la cognición es sustentada por la actividad eléctrica resonante que recurre entre las estructuras talámicas y corticales en la banda de frecuencia gamma (es decir, en frecuencias de oscilación de 20 a 50 Hz agrupadas en torno a los 40 HZ).

Tales hallazgos favorecen la hipótesis de que los eventos cognitivos dependen de un tipo de actividad que requiere columnas de actividad recurrente tálamocorticales. De hecho, ya comienzan a dilucidarse los mecanismo neuronales responsables de las oscilaciones talámicas de alta frecuencia capaces de sustentar la sincronización y la coherencia tálamo-cortical.