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Aspectos generales

La neurociencia comprende una amplia gama de interrogantes acerca de c-mo se organizan los sistemas nerviosos y cmo funcionan para generar la con-ducta. Estos cuestionamientos pueden explorarse por medio de las herramientasanalticas de la gentica, la biologa molecular y celular, la anatoma y la fisio-loga de los sistemas, la biologa conductual y la psicologa. El desafo principalpara un estudiante de neurociencia es integrar el conocimiento diverso derivadode estos distintos niveles de anlisis en un conocimiento ms o menos coheren-te de la estructura y la funcin enceflicas (deberamos hacer algunas salveda-des a esta afirmacin ya que muchas preguntas an permanecen sin respuesta).Muchas de las cuestiones exploradas con xito se vinculan con el modo en quelas clulas principales de todo sistema nervioso neuronas y gla realizan susfunciones bsicas en trminos anatmicos, electrofisiolgicos y moleculares.Las variedades de neuronas y de clulas gliales de sostn que se identificaron es-tn reunidas en conjuntos llamados circuitos neurales, y estos circuitos constitu-yen los componentes primarios de los sistemas nerviosos que procesan tipos es-pecficos de informacin. Los sistemas neurales comprenden neuronas y circui-tos en algunas localizaciones anatmicas separadas del encfalo. Estos sistemascumplen una de tres funciones generales. Los sistemas sensitivos presentan lainformacin acerca del estado del organismo y su entorno, los sistemas motoresorganizan y generan acciones y los sistemas asociativos vinculan los aspectossensitivos y motores del sistema nervioso y aportan las bases para las funcionesde orden superior como la percepcin, la atencin, la cognicin, las emocio-nes, el pensamiento racional y otras funciones enceflicas complejas que subya-cen en el ncleo del conocimiento de los seres humanos, su historia y su futuro.

Gentica, genmica y encfalo

La secuenciacin recin completada del genoma en los seres humanos, losratones, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster y el nematodo Caenor-habditis elegans es tal vez el punto de inicio ms lgico para estudiar el enc-falo y el resto del sistema nervioso; despus de todo, esta informacin heredi-taria tambin es el punto de inicio de cada organismo individual. La relativafacilidad para obtener, analizar y correlacionar las secuencias de los genes conlas observaciones neurobiolgicas propici muchas ideas nuevas sobre la bio-loga bsica del sistema nervioso. En forma paralela con los estudios de lossistemas nerviosos normales, el anlisis gentico de los pedigres humanoscon distintas enfermedades enceflicas condujo a la sensacin generalizada deque pronto ser posible conocer y tratar trastornos que durante mucho tiempose consideraron ms all del alcance de la ciencia y la medicina.

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Un gen presenta secuencias de DNA denominadas exones que se transcri-ben en un RNA mensajero y ulteriormente en una protena. El conjunto deexones que define el transcripto de cualquier gen est flanqueado por secuen-cias reguladoras corriente arriba (o 5) y corriente abajo (3) que controlan laexpresin gentica. Adems, las secuencias entre los exones llamadas intro-nes influyen en la transcripcin. De los alrededor de 35.000 genes del geno-ma humano, la mayora se expresa en el encfalo en desarrollo y el adulto; lomismo sucede con los ratones, las moscas y los vermes, especies que suelenutilizarse en gentica moderna (y cada vez ms en neurociencia) (fig. 1-1).No obstante, muy pocos genes se expresan nicamente en las neuronas, loque indica que las clulas nerviosas comparten la mayor parte de las propie-dades estructurales y funcionales bsicas de otras clulas. En consecuencia,la mayor parte de la informacin gentica especfica del encfalo debe re-sidir en el resto de las secuencias de cido nucleico secuencias reguladorase intrones que controlan la oportunidad, la cantidad, la variabilidad y la es-pecificidad celular de la expresin gentica.

Una de las consecuencias ms promisorias de la secuenciacin del geno-ma humano fue el reconocimiento de que uno o algunos genes, cuando se al-teran (mutan), pueden explicar ciertos aspectos de las enfermedades neurol-gicas y psiquitricas. Antes de la era posgenmica (que comenz luego decompletada la secuenciacin del genoma humano), muchas de las enferme-dades enceflicas ms devastadoras seguan siendo misteriosas, porque no seconoca con certeza el modo en que se comprometa la biologa normal delsistema nervioso. La identificacin de genes correlacionados con trastornoscomo la enfermedad de Huntington, la enfermedad de Parkinson, la enferme-dad de Alzheimer, la depresin mayor y la esquizofrenia aport un inicio pro-misorio al conocimiento de estos procesos patolgicos de una forma muchoms profunda (y al diseo de terapias racionales).

La informacin gentica y genmica aislada no explica por completo elmodo en que el encfalo funciona normalmente o cmo los procesos patol-gicos interrumpen su funcin. Para lograr estos objetivos es esencial por igualconocer la biologa celular, la anatoma y la fisiologa del encfalo en la sa-lud y la enfermedad.

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Fig. 1-1. Estimaciones del nmero degenes en el genoma humano y en los ge-nomas del ratn, la mosca de la frutaDrosophila melanogaster y el nematodoCaenorhabditis elegans.

Los componentes celulares del sistema nervioso

A comienzos del siglo XIX la clula se reconoca como la unidad fundamen-tal de todos los organismos vivos. Sin embargo, no fue hasta bien entrado el si-glo XX en que los neurocientficos concordaron en que el tejido nervioso, aligual que todos los otros rganos, est formado por estas unidades fundamen-tales. La razn principal fue que la primera generacin de neurobilogos mo-dernos del siglo XIX tuvo dificultades para distinguir la naturaleza unitaria delas clulas nerviosas con los microscopios y las tcnicas de tincin celular dis-ponibles entonces. Esta deficiencia se vio agravada por las configuraciones ex-traordinariamente complejas y las ramificaciones extensas de las clulas ner-viosas individuales, lo que oscureca aun ms su semejanza con las clulas deconfiguracin ms sencilla de otros tejidos (figs. 1-2 a 1-4). Como resultado,algunos bilogos de esa era arribaron a la conclusin de que cada clula ner-viosa estaba conectada a sus vecinas por nexos protoplasmticos, que forma-ban una red continua de clulas nerviosas, o retculo. La teora reticular de la

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Fig. 1-2. Ejemplos de la rica varie-dad de morfologas de las clulas ner-viosas halladas en el sistema nerviosohumano. Los trazados provienen de c-lulas nerviosas reales teidas por im-pregnacin con sales de plata (la deno-minada tcnica de Golgi, mtodo utili-zado en los estudios clsicos de Golgi yCajal). Los asteriscos indican que elaxn recorre mucho ms de lo que semuestra. Obsrvese que algunas clu-las, como la bipolar de la retina, tienenun axn muy corto, y que otras, comola clula amacrina retiniana, carecen deaxn. Los dibujos no estn todos en lamisma escala.

comunicacin de las clulas nerviosas, propuesta por el neuropatlogo italianoCamillo Golgi (a partir del cual toma su nombre el aparato de Golgi en las c-lulas), finalmente perdi favoritismo y se reemplaz por la que lleg a conocer-se como la doctrina de la neurona. Los autores principales de esta nueva pers-pectiva fueron el neuroanatomista espaol Santiago Ramn y Cajal y el fisi-logo britnico Charles Sherrington.

Los puntos de vista opuestos representados por Golgi y Cajal generaron acomienzos del siglo XX un debate encendido que sent las bases de la neuro-ciencia moderna. Sobre la base del examen del tejido nervioso teido con sa-les de plata con el microscopio ptico segn un mtodo propuesto por Golgi,Cajal argument persuasivamente que las clulas nerviosas son entidades se-paradas y que se comunican entre ellas por medio de contactos especializa-dos que Sherrington llam sinapsis. El trabajo que enmarc este debate fuereconocido con el premio Nobel de Fisiologa o Medicina en 1906 tanto aGolgi como a Cajal (el premio conjunto sugiere cierta preocupacin que ancontina sobre quin estaba en lo correcto, a pesar de las pruebas abrumado-ras de Cajal). El trabajo ulterior de Sherrington y otros, que demostr latransferencia de seales elctricas en las uniones sinpticas entre las clulasnerviosas, brindaba apoyo firme a la doctrina de la neurona, pero quedabael desafo de explicar la autonoma de las neuronas individuales. No fue has-ta el advenimiento de la microscopia electrnica en la dcada de 1950 en quese resolvieron todas las dudas acerca de la separacin de las neuronas. Loscuadros de alta amplificacin y alta resolucin que pudieron obtenerse con elmicroscopio electrnico establecieron con claridad que las clulas nerviosasson unidades funcionalmente independientes; estos cuadros tambin identifi-caron las uniones celulares especializadas que Sherrington haba denomina-do sinapsis (vanse figs. 1-3 y 1-4).

Los estudios histolgicos de Cajal, Golgi y un conjunto de sucesores con-dujeron a un mayor consenso en que las clulas del sistema nervioso puedendividirse en dos categoras amplias: clulas nerviosas (o neuronas) y clu-las de sostn llamadas neuroglia (o simplemente gla; vase fig. 1-5). Las c-lulas nerviosas estn especializadas en el sealamiento elctrico en largasdistancias, y el conocimiento de este proceso representa uno de los xitos msespectaculares de la biologa moderna (y es el tema de la unidad I de este li-bro). Por el contrario, las clulas de sostn no pueden efectuar el sealamien-to elctrico; no obstante, tienen varias funciones esenciales en el encfalo endesarrollo y del adulto.

Neuronas

Las neuronas y la gla comparten el complemento de orgnulos hallado entodas las clulas en el que se incluye el retculo endoplasmtico y el aparatode Golgi, las mitocondrias y distintas estructuras vesiculares. Sin embargo, enlas neuronas estos orgnulos a menudo son ms sobresalientes en distintas re-giones de la clula. Adems de la distribucin de los orgnulos y los compo-nentes subcelulares, las neuronas y la gla en cierta medida son diferentes deotras clulas en las protenas fibrilares o tubulares especializadas que consti-tuyen el citoesqueleto (figs. 1-3 y 1-4). Aunque muchas de estas protenasisoformas de actina, tubulina y miosina, as como varias otras se encuentranen otras clulas, su organizacin distinta en las neuronas es fundamental parala estabilidad y la funcin de las prolongaciones neuronales y las uniones si-npticas. Los filamentos, los tbulos, los motores vesiculares y las protenas

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Fig. 1-3. Caractersticas principales de las neuronas al observarlas por microscopioptico y microscopio electrnico. A. Diagrama de clulas nerviosas y sus partes compo-nentes. B. Segmento inicial del axn (azul) que entra en la vaina de mielina (dorado).C. Botones terminales (azul) cargados con vesculas sinpticas (puntas de flecha) queforman sinapsis (flechas) con una dendrita (prpura). D. Corte transversal de axones(azul) envainados por las prolongaciones de los oligodendrocitos (dorado). E. Dendritasatpicas (prpura) de las clulas piramidales corticales. F. Cuerpos de clulas nerviosas (prpura) ocupados por grandes ncleos redondeados.G. Porcin del axn mielnico (azul) que ilustra los intervalos entre segmentos adyacen-tes de mielina (dorado) denominados nodos de Ranvier (flechas). (Microfotografas dePeters y col., 1991.)

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Fig. 1-4. Disposicin caracterstica de loselementos del citoesqueleto en las neuronas.A. El cuerpo celular, los axones y las dendri-tas se distinguen por la distribucin de tubu-lina (verde a travs de la clula) a diferenciade otros elementos del citoesqueleto en estecaso, Tau (rojo), una protena fijadora de mi-crotbulos que se encuentra slo en los axo-nes. B. Se muestra aqu la localizacin nota-blemente distinta de la actina (rojo) en losextremos en crecimiento de las prolongacio-nes axnicas y dendrticas en una neuronacultivada tomada del hipocampo. C. Por elcontrario, en una clula epitelial cultivada, laactina (rojo) est distribuida en fibrillas queocupan la mayor parte del cuerpo celular. D. En clulas astrogliales en cultivo, la acti-na (rojo) tambin se ve en haces fibrilares.E. Se observa tubulina (verde) en todo elcuerpo celular y las dendritas de las neuro-nas. F. Aunque la tubulina es un componenteimportante de las dendritas, que se extiendeen las espinas, la cabeza de la espina es ricaen actina (rojo). G. El componente de tubuli-na del citoesqueleto en clulas no neuronalesest dispuesto en redes filamentosas.H-K. Las sinapsis tienen una disposicindistinta de elementos del citoesqueleto,receptores y protenas de andamiaje. H. Seobservan dos axones (verde; tubulina) deneuronas motoras que emiten cada uno dosramas a cuatro fibras musculares. El rojomuestra el agrupamiento de receptores post-sinpticos (en este caso para el neurotrans-misor acetilcolina). I. Una imagen de mayorpotencia de una sola neurona motora muestrala relacin entre el axn (verde) y los recep-tores postsinpticos (rojo). J. Se muestra enverde el espacio extracelular entre el axn ysu msculo diana. K. Se muestra en verde elagrupamiento de protenas de andamiaje (eneste caso, distrofina) que localizan receptoresy los conectan a otros elementos del citoes-queleto. (A, Cortesa de YN. Jan; B, cortesade E. Dent y F. Gertler; C, cortesa de D. Ar-neman y C. Otey; D, cortesa de A. Gonzalesy R. Cheney; E, tomado de Sheng, 2003; F, tomado de Matus, 2000; G, cortesa de T.Salmon y col.; H-K, cortesa de R. Sealock.)

de andamiaje de las neuronas dirigen el crecimiento de axones y dendritas; eltrfico y el posicionamiento apropiado de componentes de la membrana, or-gnulos y vesculas, y los procesos activos de exocitosis y endocitosis que sub-yacen a la comunicacin sinptica. El conocimiento de las formas en que seutilizan estos componentes moleculares para asegurar el correcto desarrollo yfuncionamiento de las neuronas y la gla an es un enfoque fundamental parala neurobiologa moderna.

La organizacin celular bsica de las neuronas se asemeja a la de otras c-lulas; sin embargo, se distinguen con claridad por la especializacin para lacomunicacin intercelular. Este atributo se pone de manifiesto en su morfo-loga general en la organizacin especfica de los componentes de la mem-brana para el sealamiento elctrico y en la complejidad de las estructuras yfunciones de los contactos sinpticos entre las neuronas (vanse figs. 1-3 y 1-4). El signo ms evidente de especializacin neuronal para la comunicacina travs del sealamiento elctrico es la ramificacin extensa de las neuronas.El aspecto ms sobresaliente de esta ramificacin en las clulas nerviosas t-picas es la arborizacin compleja de dendritas que surgen del cuerpo de laclula neuronal (tambin llamadas ramas dendrticas o prolongaciones den-drticas). Las dendritas son la diana primaria de las aferencias sinpticas des-de otras neuronas y tambin se distinguen por su alto contenido en ribosomasy protenas especficas del citoesqueleto que reflejan su funcin en la recep-cin y la integracin de la informacin proveniente de otras neuronas. El es-pectro de configuraciones neuronales vara desde una pequea minora de c-lulas que carecen de dendritas hasta neuronas con arborizaciones dendrticasque rivalizan en complejidad con un rbol maduro (vase fig. 1-2). El nme-ro de aferencias que recibe una neurona particular depende de la complejidadde su arborizacin dendrtica: las clulas nerviosas que carecen de dendritasestn inervadas (y por lo tanto reciben seales elctricas) slo por una o al-gunas otras clulas nerviosas, mientras que las que presentan dendritas cadavez ms elaboradas estn inervadas por una cantidad comparablemente ma-yor de otras neuronas.

Los contactos sinpticos que se hacen sobre las dendritas (y, menos a me-nudo, sobre los cuerpos de las clulas neuronales) comprenden una elaboracinespecial del aparato secretorio que se encuentra en la mayora de las clulasepiteliales polarizadas. En condiciones tpicas, la terminacin presinptica esinmediatamente adyacente a una especializacin postsinptica de la cluladiana (vase fig. 1-3). En la mayora de las sinapsis no hay continuidad fsicaentre estos elementos presinpticos y postsinpticos. En cambio, los compo-nentes presinpticos y postsinpticos se comunican a travs de la secrecin demolculas desde la terminacin presinptica que se unen a receptores en la es-pecializacin postsinptica. Estas molculas deben atravesar un intervalo de es-pacio extracelular entre los elementos presinptico y postsinptico llamadohendidura sinptica. Sin embargo, esta hendidura no es simplemente un es-pacio a atravesar; ms bien, es el sitio de las protenas extracelulares que influ-yen en la difusin, la unin y la degradacin de las molculas secretadas por laterminacin presinptica (vase fig. 1-4). El nmero de aferencias sinpticasque recibe cada clula nerviosa en el sistema nervioso humano vara entre 1 y100.000. Este rango refleja un propsito fundamental de las clulas nerviosas:integrar la informacin proveniente de otras neuronas. Por lo tanto, el nmerode contactos sinpticos provenientes de diferentes neuronas presinpticas encualquier clula particular es un determinante en especial importante de la fun-cin neuronal.

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La informacin transmitida por las sinapsis a las dendritas neuronales esintegrada y leda en el origen del axn, porcin de la clula nerviosa espe-cializada en la conduccin de seales hacia el sitio siguiente de interaccinsinptica (vanse figs. 1-2 y 1-3). El axn es una extensin singular del cuer-po de las clulas neuronales que puede viajar algunos cientos de micrmetros(m; habitualmente llamados micrones) o mucho ms lejos, segn el tipo deneurona y el tamao de la especie. Adems, el axn posee un citoesqueletocaracterstico cuyos elementos son fundamentales para su integridad funcio-nal (vase fig. 1-4). Muchas clulas nerviosas del encfalo humano (y deotras especies) tienen axones cuya longitud no es superior a unos milmetros,y algunas no tienen ningn axn.

Los axones relativamente cortos son una caracterstica de las neuronas decircuito local o interneuronas en todo el encfalo. Sin embargo, los axonesde las neuronas de proyeccin se extienden hasta dianas distantes. Por ejem-plo, los axones que se encuentran desde la mdula espinal humana hasta elpie tienen una longitud aproximada de un metro. El acontecimiento elctricoque transporta seales por estas distancias se denomina potencial de accin,que es una onda autorregenerada de actividad elctrica que se propaga desdesu punto de inicio en el cuerpo celular (llamado botn axnico) hacia la ter-minacin del axn donde se hacen los contactos sinpticos. Entre las clulasdiana de las neuronas se incluyen otras clulas nerviosas en el encfalo, lamdula espinal y los ganglios autnomos, y las clulas de msculos y gln-dulas de todo el cuerpo.

El proceso qumico y elctrico por el cual la informacin codificada por lospotenciales de accin se transmite en los contactos sinpticos hacia la clula si-guiente en una va se denomina transmisin sinptica. Las terminaciones pre-sinpticas (tambin llamadas terminaciones sinpticas, terminaciones axnicaso botones terminales) y sus especializaciones postsinpticas son tpicamente si-napsis qumicas, el tipo ms abundante de sinapsis del sistema nervioso. Otrotipo, la sinapsis elctrica, es mucho ms rara (vase cap. 5). Los orgnulos se-cretorios en la terminacin presinptica de las sinapsis qumicas son vesculassinpticas (vase fig. 1-3), que en general son estructuras esfricas llenas demolculas de neurotransmisor. El posicionamiento de las vesculas sinpticasen la membrana presinptica y su fusin para iniciar la liberacin del neurotrans-misor es regulado por algunas protenas que se encuentran dentro de la vesculao se asocian con ella. Los neurotransmisores liberados en las vesculas sinpti-cas modifican las propiedades elctricas de la clula diana al unirse a recepto-res de los neurotransmisores (fig. 1-4), que se ubican fundamentalmente en laespecializacin postsinptica.

Por lo tanto, la actividad compleja y coordinada de neurotransmisores, re-ceptores, elementos relacionados del citoesqueleto y molculas de transduc-cin de seales conforma la base para que las clulas nerviosas se comuniquenentre ellas, y con las clulas efectoras en msculos y glndulas.

Clulas neurogliales

Las clulas neurogliales tambin denominadas gliales o simplementegla son muy diferentes de las clulas nerviosas. Son ms numerosas que lasneuronas en el encfalo, a las que superan en nmero en una relacin tal vezde 3 a 1. La distincin principal es que las clulas neurogliales no participandirectamente en las interacciones sinpticas y en el sealamiento elctrico,aunque sus funciones de sostn ayudan a definir contactos sinpticos y a

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mantener la capacidad de sealizacin de las neuronas. Aunque las clulasgliales tambin tienen prolongaciones complejas que se extienden desde suscuerpos celulares, por lo general son menos sobresalientes que las ramifica-ciones neuronales, y no cumplen los mismos propsitos que los axones y lasdendritas (fig. 1-5).

El trmino gla (de la palabra griega que significa pegamento) refleja lasuposicin existente en el siglo XIX de que estas clulas de alguna forma man-tienen unido el sistema nervioso. La palabra sobrevivi, a pesar de la falta depruebas de que unir las clulas nerviosas entre ellas es una de las muchas fun-ciones de las clulas gliales. Las funciones bien establecidas de las clulasgliales son: mantener el medio inico de las clulas nerviosas, modular la ve-locidad de propagacin de las seales nerviosas, modular la accin sinpticaal controlar la captacin de neurotransmisores en la hendidura sinptica ocerca de ella, proporcionar un andamiaje para ciertos aspectos del desarrolloneural y ayudar en la recuperacin de la lesin neural (o en algunos casos im-pedirla).

Hay tres tipos de clulas gliales en el sistema nervioso central maduro: as-trocitos, oligodendrocitos y clulas microgliales (vase fig. 1-5). Los astroci-tos, que estn limitados al encfalo y la mdula espinal, tienen prolongacioneslocales elaboradas que brindan a estas clulas un aspecto estrellado (de ah elprefijo astro). Una funcin importante de los astrocitos es mantener, de dis-tintas formas, un entorno qumico apropiado para el sealamiento neuronal.Los oligodendrocitos, que tambin estn restringidos al sistema nervioso cen-tral, depositan una envoltura laminada y rica en lpidos llamada mielina alre-dedor de algunos axones, pero no de todos. La mielina tambin tiene efectosimportantes sobre la velocidad de la transmisin de seales elctricas (vase

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Fig. 1-5. Variedades de clulas neu-rogliales. Trazados de un astrocito (A),un oligodendrocito (B) y una clula mi-croglial (C) visualizados utilizando elmtodo de Golgi. Las imgenes se en-cuentran aproximadamente en la mismaescala. D. Astrocitos en cultivo tisular,marcados (rojo) con un anticuerpo con-tra una protena especfica del astrocito.E. Clulas oligodendrogliales en culti-vo tisular marcado con un anticuerpocontra una protena especfica de la oli-godendroglia. F. Los axones perifricosestn envainados por mielina (rojo mar-cado) excepto en una regin distintallamada nodo de Ranvier. La marcaverde indica canales inicos concentra-dos en el nodo; la marca azul indicauna regin que presenta diferencias mo-leculares llamada paranodo. G. Clulasmicrogliales de la mdula espinal, mar-cadas con un anticuerpo especfico detipo celular. Recuadro: imagen con ma-yor amplificacin de una sola clulamicroglial teida con un marcador se-lectivo de los macrfagos. (A-C, toma-dos de Jones y Cowan, 1983; D, E, cor-tesa de A.-S. LaMantia; F, cortesa deM. Bhat; G, cortesa de A. Light; recua-dro, cortesa de G. Matsushima.)

cap. 3). En el sistema nervioso perifrico las clulas que elaboran mielina sedenominan clulas de Schwann.

Por ltimo, las clulas microgliales derivan en mayor medida de clulasprecursoras hematopoyticas (aunque algunas pueden derivar directamente declulas precursoras neurales). Estas clulas comparten muchas propiedadescon los macrfagos que se encuentran en otros tejidos, y son fundamentalmen-te clulas limpiadoras que eliminan los restos celulares de sitios de lesin o derecambio celular normal. Adems, la microglia, como sus anlogos, los ma-crfagos, secreta molculas de sealizacin sobre todo una amplia gama decitocinas producidas tambin por clulas del sistema inmune que pueden mo-dular la inflamacin local e influir en la supervivencia o la muerte celular. Enefecto, algunos neurobilogos prefieren categorizar la microglia como un tipode macrfago. Luego del dao enceflico, la cantidad de clulas microglialesen el sitio de la lesin aumenta de forma espectacular. Algunas de estas clu-las proliferan a partir de la microglia existente en el encfalo, mientras queotras provienen de macrfagos que migran al rea lesionada y entran en el en-cfalo a travs de interrupciones locales en la vasculatura cerebral.

Diversidad celular en el sistema nervioso

Aunque los componentes celulares del sistema nervioso central son simila-res en varios aspectos a los de otros rganos, son inusuales por su nmero ex-traordinario: se estima que el encfalo humano contiene 100.000 millones deneuronas y varias veces esa cantidad en clulas de sostn. Lo que es ms impor-tante, el sistema nervioso tiene un rango mayor de tipos celulares distintos yasea categorizados por morfologa, identidad molecular o actividad fisiolgicaque cualquier otro sistema orgnico (un acontecimiento se presume que puedeexplicar por qu en el sistema nervioso se expresan tantos genes diferentes; va-

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Fig. 1-6. Diversidad estructural en el sistema nervioso demostrada con marcadores celulares y moleculares. Primera hilera: or-ganizacin celular de diferentes regiones enceflicas demostrada con tinciones de Nissl, que marcan los cuerpos de las clulasnerviosas y gliales. A. Corteza cerebral en el lmite entre las reas visuales primaria y secundaria. B. Bulbos olfatorios. C. Dife-rencias en la densidad celular en las capas corticales cerebrales. D. Neuronas y clulas gliales individuales teidas con Nissl conmayor amplificacin. Segunda hilera: enfoques clsico y moderno para ver las neuronas individuales con sus prolongaciones. E. Clulas piramidales corticales marcadas con tcnica de Golgi. F. Clulas de Purkinje cerebelosas marcadas con tcnica de Gol-gi. G. Interneurona cortical marcada mediante la inyeccin intracelular de un colorante fluorescente. H. Neuronas retinianas mar-cadas mediante la inyeccin intracelular de un colorante fluorescente. Tercera hilera: enfoques celular y molecular para ver cone-xiones y sistemas neurales. I. En la parte superior, un anticuerpo que detecta protenas sinpticas en el bulbo olfatorio; en la base,una marca fluorescente muestra la localizacin de los cuerpos celulares. J. Zonas sinpticas y localizacin de los cuerpos de lasclulas de Purkinje en la corteza cerebelosa marcadas con anticuerpos especficos de la sinapsis (verde) y un marcador del cuerpocelular (azul). K. La proyeccin desde un ojo hasta el cuerpo geniculado lateral en el tlamo, marcada con aminocidos radiacti-vos (la marca brillante muestra las terminaciones axnicas del ojo en distintas capas del ncleo). L. Mapa de la superficie corpo-ral de una rata en la corteza somatosensitiva, que se muestra con un marcador que distingue zonas de mayor densidad de sinapsisy actividad metablica. Cuarta hilera: neuronas perifricas y sus proyecciones. M. Neurona autnoma marcada mediante la in-yeccin intracelular de un marcador enzimtico. N. Axones motores (verde) y sinapsis neuromusculares (naranja) en ratonestransgnitos obtenidos mediante ingeniera gentica para expresar protenas fluorescentes. O. Proyeccin de los ganglios de lasraces dorsales hacia la mdula espinal, demostrada mediante un marcador enzimtico. P. Axones de las neuronas receptoras olfa-torias desde la nariz marcadas en el bulbo olfatorio con un colorante fluorescente vital. (G, cortesa de L. C. Katz; H, cortesa deC. J. Shatz; N, O, cortesa de W. Snider y J. Lichtman; todas las otras, cortesa de A.-S. LaMantia y D. Purves.)

se antes). La diversidad celular de cualquier sistema nervioso incluido el nues-tro indudablemente subyace a la capacidad del sistema para formar redes cadavez ms complicadas que median conductas cada vez ms sofisticadas.

Durante gran parte del siglo XX los neurocientficos se basaron en el mismoconjunto de tcnicas desarrolladas por Cajal y Golgi para describir y categorizarla diversidad de tipos celulares en el sistema nervioso. No obstante, desde finesde la dcada de 1970 en adelante, tecnologas nuevas que se hicieron posibles

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por los adelantos de la biologa celular y molecular proporcionaron a los inves-tigadores muchas herramientas adicionales para discernir las propiedades de lasneuronas (fig. 1-6). Aunque los mtodos de tincin de las clulas generales mos-traron diferencias, principalmente en el tamao y la distribucin celulares, lastinciones de anticuerpos y las sondas para RNA mensajero aumentaron muchola apreciacin de tipos distintos de neuronas y gla en diferentes regiones del sis-tema nervioso. Al mismo tiempo, los mtodos nuevos de rastreo de tractos queutilizan una amplia variedad de sustancias marcadoras permitieron explorar mu-cho ms cabalmente las interconexiones entre grupos especficos de neuronas.Se pueden introducir marcadores en el tejido vivo o fijado que se transportan alo largo de las prolongaciones de las clulas nerviosas para poner en evidenciasu origen y terminacin. En poca ms reciente se combinaron mtodos genti-cos y neuroanatmicos para visualizar la expresin de molculas de marcadoresfluorescentes o de otro tipo bajo el control de secuencias reguladoras de genesneurales. Este enfoque, que muestra las clulas individuales en tejido fijado o vi-vo con un detalle notable, permite identificar las clulas nerviosas tanto por suestado transcripcional como por su estructura. Por ltimo, se pueden combinarlas formas de determinar la identidad y la morfologa molecular de las clulasnerviosas con mediciones de su actividad fisiolgica, lo que demuestra as susrelaciones estructura-funcin. En la figura 1-6 se muestran ejemplos de estosdistintos enfoques.

Circuitos neurales

Las neuronas nunca funcionan de forma aislada; estn organizadas en con-juntos o circuitos neurales que procesan tipos especficos de informacin yaportan las bases para la sensacin, la percepcin y la conducta. Las conexio-nes sinpticas que definen estos circuitos se realizan tpicamente en una ma-raa densa de dendritas, terminaciones axnicas y prolongaciones de clulasgliales que en conjunto constituyen lo que se denomina neuropilo (el sufijopilo proviene de la palabra griega pilos, que significa sentido; vase fig. 1-3). Por lo tanto, el neuropilo es la regin entre los cuerpos de las clulas ner-viosas donde se produce la mayor parte de la conectividad sinptica.

Aunque la disposicin de los circuitos neurales vara mucho segn la fun-cin que cumplen, algunos elementos son caractersticos de estos conjuntos.Es importante la direccin del flujo de informacin en todo circuito particu-lar, lo que, como es evidente, es esencial para conocer su propsito. Las c-lulas nerviosas que transportan informacin hacia el encfalo o la mdula es-pinal (o de modo ms central, dentro de la mdula espinal o el encfalo) sedenominan neuronas aferentes; las clulas nerviosas que transportan infor-macin lejos del encfalo o la mdula espinal (o lejos del circuito en cues-tin) se denominan neuronas eferentes. Las interneuronas o las neuronasde circuito local slo participan en los aspectos locales de un circuito, sobrela base de distancias cortas sobre las que se extienden sus axones. Estas tresclases funcionales neuronas aferentes, neuronas eferentes e interneuronasson los componentes bsicos de todos los circuitos neurales.

Un ejemplo simple de un circuito neural es un conjunto de clulas que co-rresponden al reflejo espinal miottico (el reflejo patelar; fig. 1-7). Lasneuronas aferentes del reflejo son neuronas sensitivas cuyos cuerpos celula-res se ubican en los ganglios de las races dorsales y cuyos axones perifri-cos terminan en terminaciones sensitivas en los msculos esquelticos (losganglios que cumplen esta misma funcin en gran parte de la cabeza y el cue-

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llo se denominan ganglios de los nervios craneales; vase el apndice A).Los axones centrales de estas neuronas sensitivas aferentes entran en la mdu-la espinal donde terminan sobre distintas neuronas centrales vinculadas con laregulacin del tono muscular, sobre todo las neuronas motoras que determi-nan la actividad de los msculos relacionados. stas son las neuronas eferentesy las interneuronas del circuito. Un grupo de estas neuronas eferentes en el astaventral de la mdula espinal se proyecta hacia los msculos flexores de la ex-tremidad y el otro hacia los msculos extensores. Las interneuronas de la m-dula espinal son el tercer elemento de este circuito. Las interneuronas recibencontactos sinpticos de neuronas aferentes sensitivas y hacen sinapsis sobrelas neuronas motoras eferentes que se proyectan hacia los msculos flexores;por lo tanto, son capaces de modular la conexin aferencia-eferencia. Las co-nexiones sinpticas excitadoras entre los aferentes sensitivos y las neuronasmotoras eferentes extensoras producen la contraccin de los msculos exten-sores; a la vez, las interneuronas activadas por los aferentes son inhibidoras ysu activacin disminuye la actividad elctrica en las neuronas motoras eferen-tes flexoras y hace que los msculos flexores se tornen menos activos (fig. 1-8). El resultado es una activacin y una inactivacin complementaria de losmsculos sinergistas y antagonistas que controlan la posicin de la pierna.

Un cuadro ms detallado de los acontecimientos que subyacen al circuitomiottico o a cualquier otro puede obtenerse mediante el registro electrofisio-lgico (fig. 1-9). Hay dos enfoques bsicos para medir la actividad elctrica deuna clula nerviosa: registro extracelular (tambin denominado registro de

Estudio del sistema nervioso de los seres humanos y otros animales 13

Fig. 1-7. Un circuito reflejo simple,la respuesta patelar (En trminos msformales, reflejo miottico), muestravarios puntos acerca de la organizacinfuncional de los circuitos nerviosos. Laestimulacin de los sensores perifricos(en este caso un receptor de estiramien-to muscular) inicia los potenciales delreceptor que disparan potenciales deaccin que viajan centralmente a lo lar-go de los axones aferentes de las neuro-nas sensitivas. Esta informacin estimu-la las neuronas motoras espinales pormedio de contactos sinpticos. Los po-tenciales de accin generados por elpotencial sinptico en las neuronas mo-toras viajan de manera perifrica en losaxones eferentes, y dan origen a la con-traccin muscular y una respuesta con-ductual. Uno de los propsitos de estereflejo particular es ayudar a manteneruna postura erecta frente a los cambiosinesperados.

unidad nica), donde se coloca un electrodo cerca de la clula nerviosa de in-ters para detectar su actividad; y registro intracelular, en el que se coloca unelectrodo dentro de la clula. Los registros extracelulares detectan fundamen-talmente potenciales de accin, los cambios todo o nada en el potencial a tra-vs de las membranas de las clulas nerviosas que transmiten informacin des-de un punto a otro en el sistema nervioso. Este tipo de registro es en particulartil para detectar patrones temporales de actividad de potenciales de accin yrelacionar estos patrones con la estimulacin por otras aferencias, o con episo-dios conductuales especficos. Los registros intracelulares pueden detectar loscambios graduados ms pequeos del potencial que disparan potenciales de ac-cin, y permiten as un anlisis ms detallado de la comunicacin entre las neu-ronas dentro de un circuito. Estos potenciales que se disparan de forma gradua-da pueden surgir en receptores sensitivos o sinapsis, y se denominan potencia-les de receptor o potenciales sinpticos, respectivamente.

Para el circuito miottico se puede medir la actividad elctrica fuera de laclula y dentro de ella y definir as las relaciones funcionales entre las neuro-nas del circuito. El patrn de actividad de potenciales de accin puede medir-se para cada elemento del circuito (aferentes, eferentes e interneuronas) antes,durante y despus de un estmulo (vase fig. 1-8). Si se comparan el inicio, laduracin y la frecuencia de la actividad de los potenciales de accin en cadaclula, surge un cuadro funcional del circuito. Como resultado del estmulo, laneurona sensitiva se dispara a mayor frecuencia (esto es, ms potenciales deaccin por unidad de tiempo). Este incremento desencadena una frecuenciamayor de potenciales de accin tanto en las neuronas motoras extensoras co-mo en las interneuronas. De manera simultnea, las sinapsis inhibidoras for-madas por las interneuronas sobre las neuronas motoras flexoras hacen decli-nar la frecuencia de potenciales de accin en estas clulas. Por medio de unregistro intracelular es posible observar directamente los cambios de potencialsubyacentes a las conexiones sinpticas del circuito del reflejo miottico (va-se fig. 1-9).

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Fig. 1-8. Frecuencia relativa de po-tenciales de accin (indicada por lneasverticales individuales) en diferentescomponentes del reflejo miotticocuando se activa la va refleja. Obsrvese el efecto modulador de la interneurona.

Organizacin general del sistema nervioso humano

Cuando se consideran en conjunto, los circuitos que procesan tipos similaresde informacin comprenden sistemas neurales que desempean propsitosconductuales ms amplios. La distincin funcional ms general divide estas co-lecciones en sistemas sensitivos que adquieren y procesan informacin del en-torno (p. ej., el sistema visual o el sistema auditivo, vase unidad II) y sistemasmotores que responden a esta informacin generando movimientos y otras con-ductas (vase unidad III). Sin embargo, hay gran cantidad de clulas y circuitosque se ubican entre estos sistemas aferente y eferente relativamente bien defini-dos. stos se denominan en conjunto sistemas de asociacin y median las fun-ciones enceflicas ms complejas y menos caracterizadas (vase unidad V).

Adems de estas distinciones funcionales amplias, los neurocientficos ylos neurlogos hicieron una divisin convencional del sistema nervioso de losvertebrados desde el punto de vista anatmico en los componentes central yperifrico (fig. 1-10). El sistema nervioso central, (SNC), comprende el en-cfalo (hemisferios cerebrales, diencfalo, cerebelo y tronco del encfalo) yla mdula espinal (para mayor informacin sobre las caractersticas anat-micas macroscpicas del SNC vase apndice A). El sistema nervioso peri-frico (SNP) implica las neuronas sensitivas que conectan los receptores sen-sitivos sobre la superficie del cuerpo o ms profundo dentro de l con circui-tos de procesamiento relevantes en el sistema nervioso central. La porcin

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Fig. 1-9. Respuestas registradas den-tro de la clula subyacen al reflejo mio-ttico. A. Potencial de accin medidoen una neurona sensitiva. B. Potencialdisparador postsinptico registrado enuna neurona motora extensora. C. Po-tencial disparador postsinptico en unainterneurona. D. Potencial inhibidorpostsinptico en una neurona motoraflexora. Estos registros intracelularesson la base para conocer los mecanis-mos celulares de la generacin del po-tencial de accin y los potenciales dereceptor sensitivo y sinpticos que desencadenan estas seales conducidas.

motora del sistema nervioso perifrico a su vez presenta dos componentes.Los axones motores que conectan el encfalo y la mdula espinal con losmsculos esquelticos constituyen la divisin motora somtica del sistemanervioso perifrico, mientras que las clulas y los axones que inervan losmsculos lisos, el msculo cardaco y las glndulas forman la divisin mo-tora visceral o autnoma.

Los cuerpos de las clulas nerviosas en el sistema nervioso perifrico selocalizan en los ganglios, que son simplemente acumulaciones de cuerpos declulas nerviosas (y clulas de sostn). Los axones perifricos se renen enhaces llamados nervios, muchos de los cuales estn envueltos por las clulasgliales del sistema nervioso perifrico denominadas clulas de Schwann. Enel sistema nervioso central las clulas nerviosas estn organizadas de dos for-mas distintas. Los ncleos son acumulaciones locales de neuronas que tienenconexiones y funciones ms o menos similares; estos grupos se encuentrandistribuidos en el cerebro, el tronco del encfalo y la mdula espinal. Por elcontrario, la corteza describe disposiciones laminares de clulas nerviosas(para obtener informacin adicional e ilustraciones consulte apndice A). Lascortezas de los hemisferios cerebrales y el cerebelo proporcionan el ejemploms claro de este principio de organizacin.

Los axones del sistema nervioso central se renen en tractos que son mso menos anlogos a los nervios de la periferia. Los tractos que cruzan la lnea

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Fig. 1-10. Componentes principalesdel sistema nervioso y sus relacionesfuncionales. A. SNC (encfalo y mdu-la espinal) y SNP (nervios espinales ycraneales). B. Diagrama de los compo-nentes principales de los sistemas ner-viosos central y perifrico, y sus rela-ciones funcionales. Los estmulos pro-venientes del medio ambiente transmi-ten informacin a los circuitos procesa-dores en el interior del encfalo y lamdula espinal, que a su vez interpre-tan su significacin y envan seales alos efectores perifricos que mueven elcuerpo y adaptan los funcionamientosde sus rganos internos.

media del encfalo se denominan comisuras. Dos trminos histolgicos am-plios distinguen las regiones ricas en cuerpos de clulas nerviosas versus lasregiones ricas en axones. La sustancia gris se refiere a cualquier acumulacinde cuerpos celulares y neuropilo del encfalo y la mdula espinal (p. ej., n-cleos o cortezas), mientras que la sustancia blanca, llamada as por su aspec-to relativamente claro como resultado del contenido de lpidos de la mielina,se refiere a los tractos axnicos y las comisuras.

La organizacin de la divisin motora visceral del sistema nervioso peri-frico es un poco ms complicada (vase cap. 20). Las neuronas motoras vis-cerales del tronco del encfalo y la mdula espinal, denominadas neuronaspreganglionares, forman sinapsis con neuronas motoras perifricas situadasen los ganglios autnomos. Las neuronas motoras de los ganglios autno-mos inervan el msculo liso, las glndulas y el msculo cardaco, y contro-lan as la mayora de las conductas involuntarias (visceral). En la divisinsimptica del sistema motor autnomo, los ganglios se sitan a lo largo de lacolumna vertebral o por delante de ella y envan sus axones a distintas dianasperifricas. En la divisin parasimptica los ganglios se sitan dentro de losrganos que inervan. Otro componente del sistema motor visceral, llamadosistema entrico, est formado por ganglios pequeos y neuronas individua-les dispersas en toda la pared del intestino. stas influyen en la motilidad yla secrecin gstrica.

Terminologa neuroanatmica

Describir la organizacin del sistema nervioso requiere un conocimiento ru-dimentario de la terminologa anatmica. Los trminos utilizados para especi-ficar la localizacin en el sistema nervioso central son los mismos que se usanpara la descripcin anatmica macroscpica del resto del cuerpo (fig. 1-11).As, anterior y posterior indican frente y dorso (cabeza y cola); rostral y cau-dal, hacia la cabeza y la cola; dorsal y ventral, arriba y abajo (dorso y vientre),y medial y lateral, en la lnea media o al costado. No obstante, la comparacinentre estas coordenadas en el cuerpo versus el encfalo puede ser confusa. Pa-ra la totalidad del cuerpo estos trminos anatmicos se refieren al eje mayor,que es recto. Sin embargo, el eje mayor del sistema nervioso central tiene unacurva. En los seres humanos y otros bpedos se necesita una inclinacin com-pensadora del eje rostrocaudal del encfalo para comparar de manera correctalos ejes corporales con los enceflicos. Una vez realizado este ajuste, se pue-den asignar fcilmente los ejes al encfalo.

La asignacin correcta de los ejes anatmicos indica entonces los planosestndar para los cortes histolgicos o las imgenes vivas (vase recuadro A)usadas para estudiar la anatoma interna del encfalo (vase fig. 1-11B). Loscortes horizontales (tambin llamados axiales o transversos) se toman para-lelos al eje rostrocaudal del encfalo; por lo tanto, en un individuo en posicinerecta estos cortes son paralelos a la tierra. Los cortes tomados en el plano quedivide los dos hemisferios son sagitales, y pueden categorizarse a su vez co-mo mediosagitales y parasagitales, segn que el corte se encuentre cerca dela lnea media (mediosagital) o ms lateral (parasagital). Los cortes tomadosen el plano del rostro se denominan coronales o frontales. Por lo general seutilizan trminos diferentes para referirse a los cortes de la mdula espinal. Elplano de corte ortogonal a la longitud de la mdula espinal se denomina trans-verso, mientras que los cortes paralelos al eje mayor de la mdula se denomi-nan longitudinales. En un corte transverso de la mdula espinal humana, los

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18 Captulo 1

Fig. 1-11. Se desarroll un pliegue en el eje mayor del sistema nervioso a medida que los seres humanos desarrollaron la posturaerecta, lo que condujo a un ngulo aproximado de 120 entre el eje mayor del tronco del encfalo y el del encfalo anterior. En (A)estn indicadas las consecuencias de este pliegue para la terminologa anatmica. Los trminos anterior, posterior, superior e infe-rior se refieren al eje mayor del cuerpo, que es recto. Por lo tanto, indican la misma direccin tanto para el encfalo anterior comopara el tronco del encfalo. Por el contrario, los trminos dorsal, ventral, rostral y caudal se refieren al eje mayor del sistema nervio-so central. La direccin dorsal es hacia atrs para el tronco del encfalo y la mdula espinal, pero hacia la parte superior de la cabezapara el encfalo anterior. La direccin opuesta es ventral. La direccin rostral hacia la parte superior de la cabeza para el tronco delencfalo y la mdula espinal, pero hacia el rostro para el encfalo anterior. La direccin opuesta es caudal. B. Planos principales de corte utilizados para cortar el encfalo u obtener imgenes de l. C. Subdivisiones y componentes del sistema nervioso central. (Obsrvese que la posicin de las llaves del lado izquierdo de la figura se refiere a las vrtebras, no a los segmentos espinales.)

ejes dorsal y ventral, y los ejes anterior y posterior indican las mismas direc-ciones (vase fig. 1-11). Aunque esta terminologa puede ser tediosa, es esen-cial para conocer las subdivisiones bsicas del sistema nervioso (fig. 1-11C).

Subdivisiones del sistema nervioso central

Por lo general, se considera que el sistema nervioso central (definido co-mo el encfalo y la mdula espinal) tiene siete partes bsicas: la mdula es-pinal, el bulbo raqudeo, la protuberancia, el cerebelo, el mesencfalo, eldiencfalo y los hemisferios cerebrales (vanse figs. 1-10 y 1-11C). Todasestas subdivisiones son atravesadas por espacios llenos de lquido llamadosventrculos (se puede hallar un informe detallado del sistema ventricular enel apndice B). Los ventrculos son el remanente de la luz que se forma al ple-garse la placa neural para formar el tubo neural al comienzo del desarrollo(vase cap. 21). Las variaciones en la configuracin y el tamao del espacioventricular maduro son caractersticos de cada regin del encfalo adulto. Elbulbo raqudeo, la protuberancia y el mesencfalo se denominan en conjuntotronco del encfalo y rodean el cuarto ventrculo (bulbo raqudeo y protu-berancia) y el acueducto cerebral (mesencfalo). El diencfalo y los hemis-ferios cerebrales se denominan en conjunto encfalo anterior, y encierran eltercer ventrculo y los ventrculos laterales, respectivamente. Dentro deltronco del encfalo estn los ncleos de los nervios craneales que recibenaferencias de los ganglios sensitivos craneales mencionados antes, a travsde los nervios sensitivos craneales, o dan origen a axones que constituyenlos nervios motores craneales (vase apndice A).

El tronco del encfalo tambin es un conducto para varios tractos mayoresen el sistema nervioso central que transmiten informacin sensitiva desde lamdula espinal y el tronco del encfalo hacia el encfalo anterior, o transmitenrdenes motoras del encfalo anterior nuevamente hacia las neuronas motorasen el tronco del encfalo y la mdula espinal. En consecuencia, el conocimien-to detallado de las consecuencias del dao del tronco del encfalo proporcionaa los neurlogos y otros mdicos una herramienta esencial para localizar ydiagnosticar una lesin enceflica. El tronco del encfalo contiene otros nume-rosos ncleos que participan en muchas funciones importantes, como el controlde la frecuencia cardaca, la respiracin, la presin arterial y el nivel de con-ciencia. Por ltimo, una de las caractersticas ms sobresalientes del tronco delencfalo es el cerebelo, que se extiende sobre gran parte de su cara dorsal. Elcerebelo es esencial para la coordinacin y la planificacin del movimiento(vase cap. 18) y para el aprendizaje de las tareas motoras y el almacenamien-to de esa informacin (vase cap. 30).

Hay varias subdivisiones anatmicas del encfalo anterior. Las estructurasanatmicas ms obvias son los hemisferios cerebrales prominentes (fig. 1-12).En los seres humanos los hemisferios cerebrales (cuyas porciones ms externasson lminas continuas y muy plegadas de corteza) son proporcionalmente msgrandes que en cualquier otro mamfero, y se caracterizan por circunvolucio-nes (giros) o crestas de tejido cortical plegado y surcos, las hendiduras que di-viden las circunvoluciones entre s (p. ej., como se observa en la tapa de este li-bro). Aunque los patrones de circunvoluciones y surcos varan de un individuoa otro, hay algunos puntos de referencia sistemticos que ayudan a dividir loshemisferios en cuatro lbulos. Los nombres de los lbulos derivan de los hue-sos craneales que los cubren: occipital, temporal, parietal y frontal. Una ca-racterstica clave de la anatoma de la superficie del cerebro es el surco central

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situado ms o menos a mitad de camino entre los polos rostral y caudal de loshemisferios (fig. 1-12A). Este surco prominente divide el lbulo frontal en el ex-tremo rostral del hemisferio del lbulo parietal ms caudal. A ambos lados delsurco central se destacan las circunvoluciones precentral y postcentral. Estas cir-cunvoluciones tambin son funcionalmente significativas, ya que la primeracontiene la corteza motora primaria importante para controlar el movimiento, yla postcentral contiene la corteza somatosensitiva primaria que es importante pa-ra los sentidos del cuerpo (vase ms adelante).

Las subdivisiones restantes del encfalo anterior se sitan ms profundas enlos hemisferios cerebrales (fig. 1-12B). Las que ms se destacan es el grupo deestructuras profundas involucradas en los procesos motores y cognitivos que sedenominan en conjunto ganglios basales. Otras estructuras en particular im-portantes son el hipocampo y la amgdala en los lbulos temporales (se tratade sustratos vitales para la memoria y la conducta emocional, respectivamente)y los bulbos olfatorios (las estaciones centrales para el procesamiento de la in-formacin quimiosensitiva que surge en las neuronas receptoras en la cavidadnasal) sobre la cara anteroinferior de los lbulos frontales. Por ltimo, el tla-mo se ubica en el diencfalo y es un rea de relevo crtica para la informacinsensitiva (aunque tambin tiene muchas otras funciones); el hipotlamo, quecomo su nombre lo indica se sita por debajo del tlamo, es la estructura orga-nizadora central para la regulacin de muchas funciones homeostticas delcuerpo (p. ej., alimentacin, ingestin de lquidos, termorregulacin).

Esta descripcin bsica de los puntos de referencia anatmicos ms im-portantes proporciona un marco de trabajo para comprender cmo se comu-nican entre ellas las neuronas ubicadas en estructuras enceflicas diferentes yampliamente distribuidas para definir sistemas neurales dedicados a codifi-car, procesar y transmitir tipos especficos de informacin acerca de aspectosdel entorno del organismo, e iniciar y coordinar luego respuestas conductua-les apropiadas.

Principios de la organizacin de los sistemas neurales

Estas capacidades perceptivas y motoras complejas del encfalo reflejan lafuncin integrada de distintos sistemas neurales. El procesamiento de la infor-macin somatosensitiva (que se origina en los receptores de piel, tejidos subcu-tneos y sistema musculoesqueltico que responden a deformacin fsica en lasuperficie del cuerpo o desplazamiento de msculos y articulaciones) propor-ciona un ejemplo conveniente. Estas estructuras ampliamente distribuidas queparticipan en la generacin de las sensaciones somticas se denominan sistemasomatosensitivo (fig. 1-13). Los componentes en el sistema nervioso perifri-co son los receptores distribuidos en toda la piel y en msculos y tendones, las

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Fig. 1-12. Anatoma macroscpica del encfalo anterior. A. Anatoma de la superficie de los hemisferios cerebrales que muestra los cuatro lbulos del encfalo ylos surcos y las circunvoluciones principales. En esta vista imaginaria tambin se pue-den ver el sistema ventricular y los ganglios basales. B. Vista mediosagital que muestrala localizacin de hipocampo, amgdala, tlamo e hipotlamo.

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Fig. 1-13. Organizacin anatmica y funcional del sistema somatosensitivo. Los com-ponentes del sistema nervioso central del sistema somatosensitivo se encuentran en lamdula espinal, el tronco del encfalo, el tlamo y la corteza cerebral. A. La informa-cin somatosensitiva de la superficie del cuerpo se traza segn los ganglios de las racesdorsales, que aqu se esquematizan unidos a la mdula espinal. Los distintos tonos deprpura indican la correspondencia entre las regiones de la superficie corporal y losganglios de las races dorsales que transmiten informacin desde la superficie corporalhasta el sistema nervioso central. La informacin proveniente de cabeza y cuello setransmite hasta el SNC a travs de los ganglios trigeminales. B. La informacin somato-sensitiva viaja desde los receptores sensitivos perifricos a travs de vas paralelas paralas sensaciones mecnica y de dolor y temperatura. Estas vas paralelas hacen relevo atravs de la mdula espinal y el tronco del encfalo, para enviar finalmente informacinsensitiva hasta el tlamo, desde donde se transmite a la corteza somatosensitiva en lacircunvolucin postcentral (indicada en azul en la imagen del encfalo entero; RM cor-tesa de L. E. White, J. Vovoydic y S. M. Williams).

neuronas relacionadas en los ganglios de la raz dorsal, y las neuronas en algu-nos ganglios craneales. Entre los componentes del sistema nervioso central seincluyen neuronas en la mdula espinal; los tractos largos de sus axones, quese originan en la mdula espinal, cruzan a travs del tronco del encfalo y fi-nalmente terminan en distintos ncleos de relevo en el tlamo en el diencfa-lo. Las estructuras diana incluso ms altas de las neuronas talmicas son lasreas corticales que rodean a la circunvolucin postcentral que se denominanen conjunto corteza somatosensitiva. Por lo tanto, el sistema somatosensitivopresenta poblaciones especficas de neuronas prcticamente en todas las subdi-visiones del sistema nervioso.

Otros dos principios de la organizacin del sistema nervioso son eviden-tes en el sistema somatosensitivo: la organizacin topogrfica y la prepon-derancia de las vas paralelas (vase fig. 1-13). Como su nombre lo indica,topografa se refiere a una funcin de mapeo en este caso un mapa de la su-perficie corporal en el que puedan discernirse las distintas estructuras queconstituyen el sistema somatosensitivo. Por lo tanto, se trazan reas adyacen-tes sobre la superficie corporal a regiones adyacentes en los ncleos, los trac-tos de sustancia blanca y las zonas diana talmicas y corticales del sistema.Comenzando en la periferia, las clulas de cada ganglio de la raz dorsal de-finen un dermatoma separado (rea de piel inervada por las prolongacionesde clulas provenientes de una sola raz dorsal). En la mdula espinal, de cau-dal a rostral, los dermatomas estn representados en regiones correspondien-tes de la mdula espinal de sacros (dorso) a lumbares (piernas) a torcicos(trax) y cervicales (brazos y hombros) (vanse figs. 1-13 y 1-11C). Esta so-matotopia se mantiene en los tractos somatosensitivos de la mdula espinaly el tronco del encfalo que transmiten informacin a las estructuras relevan-tes del encfalo anterior del sistema somatosensitivo (fig. 1-14).

Las vas paralelas se refieren a la de los axones de las clulas nerviosasque procesan los distintos atributos del estmulo que comprenden una moda-lidad sensitiva, motora o cognitiva particular. Para la sensacin somtica, losatributos del estmulo que se transmiten a travs de vas paralelas son dolor,temperatura, tacto, presin y propiocepcin (el sentido de posicin articularo de las extremidades). Desde los ganglios de las races dorsales, a travs dela mdula espinal y el tronco del encfalo, y hasta la corteza somatosensiti-va, estas submodalidades se mantienen en gran parte divididas. Por lo tanto,desde el punto de vista anatmico, bioqumico y fisiolgico distintas neuro-nas traducen, codifican y transmiten informacin de dolor, temperatura y me-cnica. Aunque esta informacin luego se integra para proporcionar la per-cepcin unitaria de los estmulos relevantes, las neuronas y los circuitos en elsistema somatosensitivo estn claramente especializados para procesar as-pectos separados de la sensibilidad somtica.

Este bosquejo bsico de la organizacin del sistema somtico es represen-tativo de los principios pertinentes al conocimiento de cualquier sistema neu-ral. En todos los casos ser apropiado considerar la distribucin anatmica delos circuitos neurales dedicados a una funcin particular, el modo en que lafuncin est representada o se mapea en los elementos neurales dentro delsistema y de qu modo se segregan los distintos atributos del estmulo dentrode los subgrupos de neuronas que comprenden el sistema. Estos detalles pro-porcionan un marco de trabajo para comprender de qu modo la actividaddentro del sistema proporciona una representacin del estmulo relevante, larespuesta motora requerida y correlaciones cognitivas de orden superior.

Estudio del sistema nervioso de los seres humanos y otros animales 23

Anlisis funcional de los sistemas neurales

Actualmente hay una amplia gama de mtodos fisiolgicos para evaluar laactividad elctrica (y metablica) de los circuitos neuronales que forman un sis-tema neural. Sin embargo, dos enfoques fueron en particular tiles para definirel modo en que los sistemas neurales representan informacin. El mtodo msutilizado es el registro electrofisiolgico de clula nica o de unidad nicacon microelectrodos (vase antes; este mtodo a menudo registra en varias c-lulas cercanas adems de una seleccionada, y proporciona ms informacintil). El uso de microelectrodos para registrar la actividad de potenciales de ac-cin proporciona un anlisis clula a clula de los mapas topogrficos de la or-ganizacin (fig. 1-15) y puede dar informacin especfica sobre el tipo de est-mulo para el cual la neurona est afinada (esto es, el estmulo que produce uncambio mximo en la actividad del potencial de accin desde el estado basal).A menudo se utiliza el anlisis de unidad nica para definir el campo recepti-vo de una neurona: la regin en el espacio sensorial (p. ej., la superficie corpo-ral o una estructura especializada como la retina) dentro de la cual un estmuloespecfico produce la respuesta mxima de potencial de accin. Este enfoquepara conocer los sistemas neurales fue introducido por Stephen Kuffler y Ver-non Mountcastle a comienzos de la dcada de 1950 y en el presente lo utiliza-

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Fig. 1-14. Organizacin somatotpica de la informacin sensitiva. Arriba: localizacionesde las reas corticales somatosensitiva primaria y secundaria en la superficie lateral delencfalo. Abajo: representacin cortical de diferentes regiones de piel.

ron varias generaciones de neurocientficos para evaluar la relacin entre est-mulos y respuestas neuronales en los sistemas sensitivo y motor. En la actuali-dad las tcnicas de registro elctrico a nivel de una nica clula se extendierony refinaron para incluir el anlisis de una sola clula y a la vez de numerosasclulas en animales que realizan tareas cognitivas complejas, los registros in-tracelulares en animales intactos y el uso de electrodos en parches para detec-tar y monitorizar la actividad de molculas individuales de la membrana que fi-nalmente subyacen al sealamiento neural (vase unidad I).

La segunda rea importante en la que se lograron adelantos tcnicos nota-bles son las imgenes enceflicas funcionales en seres humanos (y en menorgrado en animales), que revolucionaron el conocimiento funcional de los sis-temas neurales en las dos ltimas dcadas (recuadro A). Al contrario de losmtodos elctricos para registrar la actividad neural, que son invasores en elsentido de tener que exponer el encfalo e insertar electrodos en l, las imge-nes funcionales no son invasoras y por lo tanto se pueden aplicar a pacientesy sujetos normales. Adems, las imgenes funcionales permiten la evaluacinsimultnea de varias estructuras enceflicas (que es posible pero obviamentedifcil con mtodos de registro elctrico). Las tareas que pueden evaluarse me-diante imgenes funcionales permiten un enfoque ms ambicioso e integradordel estudio de las operaciones de un sistema neural.

En los ltimos 20 aos estos mtodos no invasores permitieron que los neu-rocientficos evalen la representacin de una cantidad enorme de conductashumanas complejas, y al mismo tiempo aportaron herramientas diagnsticas

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Fig. 1-15. Registro electrofisiolgico de unidad nica de una neurona piramidal corti-cal, que muestra el patrn de descarga en respuesta a un estmulo perifrico especfico.A. Disposicin experimental tpica. B. Terminacin de los campos receptivos neuronales.

que se utilizan cada vez ms de rutina. Muchas de las observaciones resultan-tes confirmaron las inferencias acerca de la localizacin funcional y la organi-zacin de los sistemas neurales que originariamente se basaron en el estudiode los pacientes neurolgicos que mostraban una conducta alterada despus deun accidente cerebrovascular u otras formas de lesin enceflica. Sin embar-go, otros hallazgos aportaron conocimientos nuevos sobre la forma en quefuncionan los sistemas neurales en el encfalo humano.

Anlisis de la conducta compleja

Muchos de los adelantos ms anunciados en la neurociencia moderna invo-lucraron una reduccin de la complejidad del encfalo hasta los componentesque se analizan ms fcilmente; esto es, genes, molculas o clulas. No obstan-te, el encfalo funciona como una totalidad y el estudio de las funciones ence-flicas ms complejas (y, para algunos, ms interesantes) como percepcin,lenguaje, emocin, memoria y conciencia an es un desafo central para losneurocientficos contemporneos. Reconociendo este desafo, en los ltimos20 aos ms o menos surgi un campo llamado neurociencia cognitiva dedi-cado de manera especfica a comprender estas cuestiones (vase unidad V).Esta evolucin tambin rejuveneci el campo de la neuroetologa (dedicado aobservar conductas complejas de animales en sus entornos naturales; p. ej., lacomunicacin social en las aves y los primates no humanos) y estimul el de-sarrollo de tareas para evaluar mejor la gnesis de las conductas complejas enlos seres humanos. Cuando se usan combinadas con imgenes funcionales, lastareas conductuales bien designadas pueden facilitar la identificacin de redesenceflicas dedicadas a funciones complejas especficas, entre las que se inclu-yen habilidades de lenguaje, capacidad matemtica y musical, respuestas emo-cionales, juicios estticos y pensamiento abstracto. Tambin se pueden utilizartareas conductuales cuidadosamente construidas para estudiar la patologa delas enfermedades enceflicas complejas que comprometen la cognicin, comola enfermedad de Alzheimer, la esquizofrenia y la depresin.

En resumen, los esfuerzos nuevos o revitalizados para estudiar las funcio-nes enceflicas superiores con tcnicas cada vez ms poderosas ofrecen for-mas de comenzar a conocer incluso los aspectos ms complejos de la conductahumana.

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En la dcada de 1970 la tomogra-fa computarizada o TC abri unanueva era en las imgenes no invasorasal introducir el uso de la tecnologa deprocesamiento computarizado paraayudar a sondear el encfalo viviente.Antes de la TC, la nica tcnica porimgenes enceflicas disponible era laradiografa convencional, que tena es-caso contraste de tejidos blandos ycomprenda una exposicin a la radia-cin relativamente alta.

El enfoque de la TC utiliza un hazde rayos X estrecho y una hilera de de-tectores muy sensibles colocados en la-dos opuestos de la cabeza para sondearslo una pequea porcin de tejido a lavez con exposicin limitada a la radia-cin (vase fig. A). Para formar unaimagen, el tubo de rayos X y los detec-tores rotan alrededor de la cabeza pararecoger informacin de radiodensidadde todas las orientaciones que rodeanun corte estrecho. Las tcnicas de pro-cesamiento computarizado calculan

luego la radiodensidad de cada puntodentro del plano de corte, produciendouna imagen topogrfica (tomo significacorte o trozo). Si el paciente esmovilizado lentamente a travs del to-mgrafo mientras el tubo de rayos Xrota de esta forma, se puede crear unamatriz de radiodensidad tridimensional,que permite computarizar las imgenespara cualquier plano a travs del enc-falo. Las TC permiten distinguir confacilidad la sustancia blanca de la sus-tancia gris, diferenciar muy bien losventrculos y mostrar muchas otras es-tructuras enceflicas con una resolu-cin espacial de varios milmetros.

Las imgenes enceflicas dieronotro gran paso hacia adelante en la d-cada de 1980 con el desarrollo de laresonancia magntica (RM). La RMse basa en que los ncleos de algunostomos actan como imanes que girany que, si se los coloca en un campomagntico fuerte, cubrirn el campo ygirarn a una frecuencia que depende

de la fuerza del campo. Si ellos recibenentonces un pulso breve de radiofre-cuencia ajustado a su frecuencia de gi-ro se alejan de su alineacin con elcampo y luego emiten energa en for-ma oscilatoria a medida que se reali-nean gradualmente con el campo. Lafuerza de la seal emitida depende dela cantidad de ncleos que participanen este proceso. Para obtener informa-cin espacial en la RM, el campo mag-ntico se distorsiona ligeramente impo-niendo gradientes magnticos a lo lar-go de tres ejes espaciales diferentes demodo que solo los ncleos en ciertaslocalizaciones estn ajustados a la fre-cuencia del detector en cualquier mo-mento dado. Casi todos los resonadoresutilizan detectores ajustados a las ra-diofrecuencias de los ncleos de hidr-geno giratorios en molculas de agua,y crean as imgenes basadas en la dis-tribucin del agua en diferentes tejidos.Una manipulacin cuidadosa de losgradientes de campo magntico y lospulsos de radiofrecuencia hace posibleconstruir imgenes extraordinariamentedetalladas del encfalo en cualquier lo-calizacin y orientacin, con una reso-lucin submilimtrica.

El campo magntico fuerte y lospulsos de radiofrecuencia utilizados enla RM son inocuos, lo que convierte aesta tcnica en completamente no inva-sora (aunque los objetos metlicos quese encuentran dentro del resonador ocerca de l constituyen una preocupa-cin para la seguridad) (vase fig. B).La RM tambin es en extremo verstilporque, al modificar los parmetros delresonador, se pueden generar imgenesbasadas en una amplia variedad de dife-rentes mecanismos de contraste. Porejemplo, las imgenes convencionalesde RM aprovechan que el hidrgeno endistintos tipos de tejido (p. ej., sustancia

Recuadro A

Tcnicas de imgenes enceflicas

(contina)

A. En la tomografa computarizada, la fuente de rayos X y los detectores se mueven alrede-dor de la cabeza del paciente. El recuadro muestra un corte horizontal de TC del encfalode un adulto normal.

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gris, sustancia blanca y lquido cefalo-rraqudeo) tiene velocidades de realinea-cin ligeramente diferentes, lo que indi-ca que el contraste de los tejidos blandos puede manipularse simplementeajustando el momento en que se mide laseal de hidrgeno que se realinea.Tambin se pueden utilizar diferentesregulaciones de los parmetros para ge-nerar imgenes en las cuales las sustan-cias gris y blanca son invisibles, pero enlas que sobresale la vasculatura encefli-ca con gran detalle. La seguridad y laversatilidad convirtieron la RM en latcnica de eleccin para obtener imge-nes de la estructura enceflica en la ma-yora de las aplicaciones.

Tambin se hizo posible la obten-cin de imgenes de variaciones fun-cionales en el encfalo viviente con eldesarrollo reciente de tcnicas para de-tectar cambios pequeos localizados enel metabolismo o el flujo sanguneo ce-rebral. Para conservar energa, el enc-falo regula su flujo sanguneo de modoque las neuronas activas con demandasmetablicas relativamente altas recibenms sangre que neuronas relativamenteinactivas. La deteccin y el trazado deestos cambios locales en el flujo san-guneo cerebral forma la base para trestcnicas de imgenes enceflicas fun-cionales muy utilizadas: la tomografapor emisin de positrones (PET), latomografa computarizada por emi-sin de fotn nico (SPECT) y la re-sonancia magntica funcional (RMf).

En la PET se incorporan istoposemisores de positrones inestables en diferentes reactivos (incluidos agua,molculas precursoras de neurotransmi-sores especficos o glucosa) y se los in-yecta en el torrente sanguneo. El oxge-no y la glucosa marcados se acumulancon rapidez en las reas con mayor ac-tividad metablica y las sondas de

transmisores marcados se captan selec-tivamente en regiones apropiadas. A medida que el istopo inestable sedesintegra, conduce a la emisin de dospositrones que se mueven en direccio-nes opuestas. Los detectores de rayosgamma colocados alrededor de la cabe-za registran un golpe slo cuandodos detectores separados por 180 reac-cionan en forma simultnea. Se puedengenerar entonces imgenes de la densi-dad del istopo en los tejidos (en formamuy similar a la manera en que se cal-culan las imgenes por TC) que mues-tran la localizacin de las regiones acti-vas con una resolucin espacial deunos 4 mm. Segn la sonda inyectada,las imgenes de PET pueden utilizarsepara visualizar cambios dependientesde la actividad en flujo sanguneo, me-tabolismo tisular o actividad bioqumi-ca. Las imgenes de SPECT son simi-

lares a las de PET, ya que comprendenla inyeccin o la inhalacin de un com-puesto radiomarcado (p. ej., 133Xe oyodoanfetamina marcada con 123I),que producen protones detectados poruna cmara gamma que se mueve rpi-damente alrededor de la cabeza.

En la actualidad la RM funcional,variante de la RM, ofrece el mejor en-foque para visualizar la funcin encef-lica basada en el metabolismo local. LaRMf se basa en que la hemoglobina enla sangre distorsiona ligeramente laspropiedades de resonancia magnticade los ncleos de hidrgeno en su ve-cindad y el grado de distorsin magn-tica cambia en funcin de que la hemo-globina tenga oxgeno ligado a ella.Cuando un rea enceflica es activadapor una tarea especial comienza a utili-zar ms oxgeno y en pocos segundosla microvasculatura enceflica respon-

Recuadro A (cont.)

Tcnicas de imgenes enceflicas

B. En la RM la cabeza se coloca en el centro de un gran imn. Una antena espiral de radio-frecuencia se coloca alrededor de la cabeza para excitar y registrar la seal de resonanciamagntica. En la RMf, los estmulos pueden presentarse utilizando gafas de video de reali-dad virtual y audfonos estereofnicos mientras el paciente est en el interior del resonador.

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de aumentando el flujo de sangre ricaen oxgeno en el rea activa. Estoscambios en la concentracin de oxge-no y el flujo sanguneo conducen a al-teraciones localizadas dependientes delnivel de la oxigenacin sangunea en laseal de resonancia magntica. Estasfluctuaciones se detectan por medio detcnicas estadsticas de procesamientode imgenes para producir mapas defuncin enceflica dependientes de latarea (vase fig. C). Como la RMf uti-liza las seales intrnsecas al encfalo

sin radiactividad alguna, se pueden rea-lizar observaciones repetidas en el mis-mo individuo: una ventaja importantesobre los mtodos por imgenes comoPET. La resolucin espacial (2 a 3 mm)y la resolucin temporal (algunos se-gundos) de la RMf tambin son supe-riores a otras tcnicas de imgenes fun-cionales. La RM surgi as como latecnologa de eleccin para sondear laestructura y la funcin del encfalo hu-mano.

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C. Imgenes por RM de un paciente adulto con un tumor enceflico, con actividad de RMf durante una tarea de movimiento de las manossuperpuesta (la actividad de la mano izquierda se muestra en amarillo; la actividad de la mano derecha, en verde). A la derecha hay una vistareconstruida tridimensional de superficie de los mismos datos.

Resumen

El encfalo puede estudiarse mediante mtodos que varan desde la genti-ca y la biologa molecular hasta pruebas conductuales en sujetos normales.Adems de un conjunto cada vez mayor de conocimientos acerca de la organi-zacin anatmica del sistema nervioso, muchos de los xitos ms brillantes dela neurociencia moderna provinieron del conocimiento de las clulas nerviosascomo la unidad estructural y funcional del sistema nervioso. Algunos estudiosde la arquitectura celular y los componentes moleculares distintos de las neu-ronas y la gla pusieron en evidencia gran parte de sus funciones individuales,y proporcionaron una base para saber de qu modo se organizan las clulas

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nerviosas en circuitos y stos en sistemas que procesan tipos especficos de in-formacin pertinente a percepcin y accin. Los objetivos que quedan soncomprender de qu modo los fenmenos genticos moleculares bsicos estnligados a las funciones celulares, de los circuitos y los sistemas; saber cmofallan estos procesos en las enfermedades neurolgicas y psiquitricas, y co-menzar a comprender las funciones especialmente complejas del encfalo quenos convierten en seres humanos.