Investigación en neurociencias

Comprender cómo funciona el cerebro es uno de los grandes retos de la investigación científica del siglo XXI. El sistema nervioso se define como un conjunto de elementos que nos permite recibir estimulación externa a través de impulsos nerviosos y traducirlos en diversas reacciones. Las unidades básicas de nuestro sistema nervioso son las neuronas, que se encuentran conectadas a través de sinapsis.  

Conocer todo sobre estas conexiones es una de las claves para comprender cómo funciona el cerebro. En este aspecto, el Human Connectome Project (HCP) intenta dilucidar las vías de señalización neuronales, claves en la función cerebral. 

Para comprender cómo funciona el cerebro tenemos que saber qué conecta con qué. En este sentido, dos grupos de neurocientíficos han reconstruido los impulsos eléctricos del cerebro y los han relacionado con la función individual de cada célula. Este ámbito de la investigación se conoce como "conectómica". Un grupo de investigadores pertenecientes al Max Planck Institute for Medical Research en Alemania se centró en el estudio de la retina, mientras que los investigadores de la Universidad de Harvard en Boston analizaron el área del cerebro en la que se procesa la información que proviene de la retina. En el siguiente vídeo podemos ver cómo funciona esta nueva técnica y como los científicos han reconstruido las conexiones en el cerebro de un ratón y las han relacionado con la función de cada célula. 

Este mes, Randolf Menzel ha publicado en Nature Reviews Neuroscience cómo las abejas pueden constituir un modelo animal de gran validez para la comprensión de la relación entre comportamiento y conocimiento, ya que muestran un comportamiento social complejo controlado por un cerebro de aproximadamente 1 millón de neuronas. Hasta ahora, las abejas se han empleado como modelo en estudios de aprendizaje y memoria. Podéis acceder al artículo en el siguiente enlace.

Un accidente cerebrovascular, ictus cerebral o aplopejía es la pérdida de la función cerebral por la interrupción del fujo de sangre al cerebro. Es una causa importante de muerte y representa una de las principales causas de discapacidad. En el siguiente vídeo podemos observar cómo se está investigando en un centro de neurociencias en Australia para emplear la consola de videojuegos Wii como terapia para mejorar el movimiento en pacientes que han sufrido una aplopejía, que ha dado lugar a discapacidades.

Si queréis profundizar en las técnicas de imagen que se utilizan principalmente en neurociencias, podéis consultar la revisión de Thomas Misgeld y Martin Kerschensteiner publicada en Nature Review Neuroscience. El resumen que aparece a continuación está extraído del artículo.

Una enfermedad neurológica de una alta prevalencia es la enfermedad de Alzheimer. En el siguiente vídeo, elaborado por la Fundación Española de Enfermedades Neurológicas y avalado por la Sociedad Española de Neurología podemos obtener información más detallada sobre la enfermedad.

A la hora de buscar artículos de investigación en el área de neurociencias existen muchas revistas científicas. Unas de las que mayor factor de impacto tienen, corresponden a revisiones de los hechos más significativos en el campo de la neurociencia, incluyendo aspectos moleculares y celulares, neurogenética, desarrollo, plasticidad y reparación, comportamiento o neurociencia cognitiva.  Estas revistas son: Nature Reviews Neuroscience, con un factor de impacto de 30,44 y Annual Review of Neuroscience, con un factor de impacto de 25,74.

1. Formas de investigación en el campo de neurociencias.

2. Técnicas de imagen aplicadas a la investigación en neurología.

3. Analizar y comprender técnicas de biología molecular empleadas en neurociencias.
4. Enfermedad de Alzheimer: factores causales y dianas terapéuticas.

 

En el siguiente vídeo podéis ver 10 hechos curiosos relacionados con nuestro sistema nervioso.

La Sociedad Española de Neurología y la Biblioteca Nacional de España, han decidido poner en marcha la Semana de la Ciencia 2012, entre el 6 y el 17 de noviembre en Madrid. El Programa Científico cuenta con una programación con actividades culturales que abordarán la relación de la neurología con el arte, la literatura y la cultura en general. 

Bases de la investigación quirúrgica

El avance y los progresos de la cirugía general, así como de las subdisciplinas quirúrgicas dependen en gran medida de la investigación. En el siglo XIX ocurren tres hechos fundamentales en el avance de la cirugía:

1. Control del dolor y anestesia. La palabra anestesia proviene del griego an- (sin) y aisthēsis (sensación). Los primeros intentos de realizar una anestesia general los podemos encontrar probablemente en los remedios con hierbas administrados en la prehistoria, aunque el sedante más antiguo conocido es el alcohol, ya usado en Mesopotamia. Sin embargo, se acepta que es a finales del siglo XVIII y principios del XIX cuando comienza la introducción y el desarrollo de las técnicas de anestesia modernas.

2. Control de las infecciones. Desde la antigüedad, el fenómeno que hoy se conoce como sepsis, y la aparición de la subsecuente fiebre, fue una constante común a cualquier tipo de herida. La antisepsis redujo de forma global la morbilidad y mortalidad en los pacientes quirúrgicos. El médico húngaro Semmelweis es considerado uno de los médicos pioneros en la antisepsia, al conseguir disminuir drásticamente la tasa de mortalidad por fiebre puerperal mediante la recomendación a los obstetras de lavarse las manos con una solución de cal clorurada antes de atender los partos.

3. Control de las hemorragias. La hemostasia natural o espontánea puede definirse como el conjunto de mecanismos fisiológicos dirigidos a impedir que la sangre se extravase, cuando se produce una lesión de pared vascular, mediante la formación de un tapón que se denomina coagulo. La hemostasia adecuada es fundamental en toda cirugía y, muy particularmente, si el paciente presenta un sistema hemostático deficiente. El cirujano debe conocer a fondo los mecanismos hemostáticos, la naturaleza de las lesiones producidas, las técnicas o medios disponibles para calcular los riesgos, el momento adecuado para hacer la operación, modificar la técnica quirúrgica, si resulta necesario, e intervenir en la corrección de los defectos hemostáticos. 

En el campo de investigación quirúrgica experimental con animales resulta muy importante tener claro el concepto de cirugía sham, que consiste en realizar una manipulación quirúrgica, pero sin la parte central de la operación. La cirugía sham es un importante control en investigación, ya que aísla los efectos específicos del tratamiento, eliminando de esta forma los posibles efectos causados por la anestesia, el trauma de las incisiones o los cuidados post-operatorios.

1. Hechos fundamentales que favorecen el avance de la investigación en ciugía.

2. Conceptos de anestesia, antisepsis y hemostasia.

3. Principales tipos de cirugía que se realizan en investigación.

4. Modelos experimentales que se emplean en la investigación quirúrgica.

5. Reconocer al leer un artículo de investigación qué tipo de diseño se ha elegido para llevarlo a cabo. Pertinencia de la randomización en estudios quirúrgicos.

6. Poder reconocer y aplicar en un proyecto de investigación en cirugía los criterios éticos.

Gracias a la investigación, se ha desarollado una innovadora tecnología quirúrgica denominada Sistema quirúrgico da Vinci. Es un tipo de cirugía mínimamente invasiva que, en según que ocasiones, puede ser efectiva como sustituta de la cirugía abierta o laparoscópica. En el siguiente video podemos ver brevemente en qué consiste este sistema.

Hace unos pocos días se conoció que el científico británico John B. Gurdon y el japonés Shinya Yamanaka han sido galardonados con el premio Nobel de Medicina 2012. A continuación, podéis leer unas curiosidades en relación a estos premios.

- Se otorgaron por primera vez el 10 de diciembre de 1901, pero los Premios Nobel se quedaron desiertos en seis ocasiones: 1916, 1931, 1934, 1940, 1941 y 1942.

- El Premio Nobel más joven hasta la fecha es el físico Lawrence Bragg que recibió el premio cuando tenía 25 años, junto a su padre, por la investigación de los fenómenos de refracción y difracción de los rayos X.

- El premiado de más edad fue Leonid Hurwicz, que ya había cumplido los 90 años cuando fue galardonado en 2007 con el Premio Nobel de Economía.

- Contando con los premiados en 2011, sólo 43 mujeres han conseguido el premio Nobel, aunque Marie Curie, al conseguirlo dos veces eleva a 44 el número de premios Nobel otorgados a mujeres.

- Jean Paul Sartre se negó a recibir el premio Nobel de Literatura en 1964 por razones personales.

- La familia Curie es la que más premios Nobel ha acumulado. Dos Premios Nobel fueron a parar a Marie Curie, uno de ellos compartido con su marido Pierre Curie. Y la hija del matrimonio, Irène Joliot-Curie, recibió junto a su marido Frédéric Joliot el Premio Nobel de Química en 1935 por sus trabajos en la síntesis de nuevos elementos radiactivos.

- Adolf Hitler obligó a tres premios Nobel a rechazar el galardón; Richard Kuhn (Química), Gerhard Domagk (Fisiología y Medicina) y Adolf Butenandt (Química).

- Según los estatutos de 1974, el galardón no se puede conceder a título póstumo. La fundación Nobel hizo una excepción al mantener el premio al canadiense Ralph Steinman, uno de los tres científicos distinguidos con el Premio Nobel de Medicina y Fisiología de 2011, ya que Steinman falleció "horas antes de que se tomase la decisión" y los jurados desconocían la noticia del fallecimiento.

Tecnologías "ómicas"

El tema de hoy ha consistido en explicar qué son las tecnologías ómicas, así como repasar las distintas subdisciplinas que han surgido a raíz de esta técnica. El sufijo “-oma” proviene del latín y significa “conjunto de”. Por tanto, al añadir este sufijo a diferentes estudios en biología, se cubren los nuevos análisis a gran escala en los que se está enfocando la investigación actual: genómica, transcriptómica, proteómica, metabolómica, farmacogenómica o epigenómica. Las tecnologías ómicas no sólo tienen un importante impacto en el estudio de los procesos biológicos, sino también en la posibilidad de un diagnóstico y un tratamiento más preciso de las enfermedades. 

Figura extraída de Joyce AR and Palsson BO. The model organism as a system: integrating "omics" data sets. Nat Rev Mol Cell Biol 2006, 7:198-210. 

1. Las tecnologías ómicas se utilizan para realizar análisis a gran escala.

 
2. Aplicaciones y complicaciones de las subdisciplinas ómicas: genómica, transcriptómica, proteómica, metabolómica, farmacogenómica, epigenómica.

 
3. Conocer la metodología que se utiliza en cada subdisciplina ómica: secuenciación, microarrays, geles 2D, espectrometría de masas.

 
4. Tipos de análisis en proteómica.

 
5. Relacionar las metodologías ómicas con cada tipo de investigación.

 
6. Concepto y tipos de información epigenética.

¿Qué tienen en común Watson y Crick y Salvador Dalí?

Respuesta: La estructura de doble cadena del DNA. El descubrimiento de Watson y Crick dejó impactado al artista catalán Salvador Dalí. Fascinado por la estructura espiral del DNA como forma básica de la vida, la incluyó en muchos de sus cuadros.

La revista Nature publicó una carta en 2003 titulada "Dalí y la doble hélice": Guardiola E and Baños JE. Dalí and the double helix Nature 2003, 423:917. Podéis acceder al artículo en el siguiente link.

Cuando trabajamos en un laboratorio de investigación tenemos que tener en cuenta que existen ocasiones en las que cuesta y no es fácil llegar a obtener los resultados que estamos buscando. Las técnicas de biología molecular son laboriosas y hay que ser muy preciso a la hora de realizar todas los pasos, desde la extracción del DNA hasta la reacción de secuenciación o el análisis e interpretación de los resultados. En el siguiente vídeo, podemos ver como en el laboratorio de la famosa serie CSI Las Vegas obtienen los resultados en segundos mientras que realizar esas técnicas de forma adecuada puede llevar horas e incluso días, en una situación experimental habitual.

PARA PRACTICAR...

1. Explica la diferencia entre genes constitutivos y genes de expresión diferencial.

2. ¿Son correctas estas afirmaciones?

a) Las histonas no acetiladas facilitan una cromatina más condensada, transcripcionalmente inactiva.

b) Las histonas acetiladas facilitan una cromatina menos condensada, transcripcionalmente activa.

3. Buscando el Abstract (PubMed) de los siguientes artículos, ¿podrías decir qué tecnología ómica y qué metodología se ha empleado?

a) Lee SJ et al. Identification of Pro-Inflammatory Cytokines Associated with Muscle Invasive Bladder Cancer; The Roles of IL-5, IL-20, and IL-28A. PLoS One. 2012

b) Sepiashvili L et al. Potentially Novel Candidate Biomarkers for Head and Neck Squamous Cell Carcinoma Identified Using an Integrated Cell Line-based Discovery Strategy. Mol Cell Proteomics. 2012

c) The Esophageal Adenocarcinoma Genetics Consortium; The Wellcome Trust Case Control Consortium 2. Common variants at the MHC locus and at chromosome 16q24.1 predispose to Barrett's esophagus. Nat Genet. 2012

Respuestas

1. Los genes constitutivos se expresan continuamente en la célula. Definen la peculiaridad del tipo celular, pueden ser comunes o no con células de otros tipos y codifican proteínas que están siempre presentes en la célula, sean muy abundantes o minoritarias. La expresión de los genes de expresión diferencial cambia en respuesta a señales (procedentes del interior o del exterior de la célula), tales como variación en la concentración de metabolitos, de nutrientes, de biomoléculas extracelulares (hormonas), variación en las condiciones ambientales (temperatura), o señales relacionadas con la situación de la célula en espacio y tiempo (desarrollo, diferenciación). Las proteínas que codifican aparecen en la célula sólo bajo determinadas condiciones o momentos, o si están presentes continuamente, su cantidad varía en gran medida en respuesta a la señal.

2. a) Verdadera. b) Verdadera

3. a) Transcriptómica. cDNA microarrays. b) Proteómica. Espectrometría de masas. c) Genómica (GWAS). Secuenciación

1. El Genoma Humano tiene unos 3500 millones de letras. Si fuera un libro y se pudieran leer 10 letras por segundo, se tardarían 11 años en leer el texto.

2. ¿Puede almacenarse la información del genoma humano (su secuencia de nucleótidos) en un solo CD-ROM?

Datos: tamaño del genoma haploide = 3,3x10exp9  pb; capacidad de un CD-ROM: 650 Mb, con 1 Mb = 106 bytes = 8x10exp6 bits o unidades de información (valor cero/uno).

Respuesta: Dado que hay 4 bases posibles, se necesitan 2 bits para especificar cada posición en la secuencia (A= 00, T= 01, C= 10, G= 11). Para los 3,3x10exp9 nucleótidos de una de las hebras de DNA, harán falta 6,6x10exp9 bits (1 byte/8 bits) = 8.25x10exp8 bytes = 825 Mb.

(La información contenida en la otra hebra de DNA está definida por la secuencia de la primera, no es necesario almacenarla).

Es decir, no basta con un CD-ROM, se necesitarían dos CD-ROM para almacenar la secuencia del genoma humano haploide. Teniendo en cuenta, además, que las células somáticas son diploides y las dos copias (de origen paterno y materno) no son exactamente idénticas, el genoma completo de un individuo en particular requeriría 1650 Mb, es decir, 3 CD-ROMs.

3. ¿Cuánto pesa el DNA de una célula humana? ¿Y el del cuerpo humano completo?

Datos: La longitud del genoma haploide es de 3,3x10exp9 pb. El peso de un par de nucleótidos es de 10exp-21 gramos. El cuerpo humano tiene alrededor de 2 billones de células.

Respuesta: (10exp-21 g/pb) x (3,3x10exp9) = 3,3x10exp-12 g = 3,3 pg. Como una célula somática es diploide, tiene el doble de esa cantidad, es decir, 6,6 pg.

El DNA de todo el cuerpo humano pesará (6,6x10exp-12 g/cél) x (2·10exp12 cél) = 13,2 g

El Museo Nacional de Ciencia y Tecnología de España (MUNCYT) es un museo gestionado por la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT). La misión del Museo consiste en contribuir a la educación científica y tecnológica, haciendo que la ciencia se comprenda, utilice y desarrolle.

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