1 ORGANIZACION DEL SISTEMA NERVIOSONEUROCIENCIA II 2007 MATERIAL EN PAGINA WEB

2 NEUROCIENCIA II PROFESORES: Ana Maria Cárdenas, PhD David Naranjo, PhDAdrián Palacios, PhD Esteban Aliaga, PhD Oliver Schmachtenberg, PhD Pablo Muñoz, PhD AYUDANTES: Angelina Palacios Alejandra Ponce Mauricio Aspe

3 HORARIO JUEVES (8:15-10:15) MARTES (10:15-11:15) G1, G4CLASE AULA AYUDANTIA QUIZ

4 MATERIAL LECTURA INVITACION A LA NEUROCIENCIA PURVES

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6 ¿Como Pensamientos, Emociones y Conducta Emergen de esta Masa Gelatinosa?

7 El Neurocientista estudia el Sistema Nervioso y su relación con la conducta y la cogniciónfield began in 1970, when The Society for Neuroscience( professional association of neuroscientists) was founded, incorporating all the various branches. **Neuropsychology: branch of psychology that deals with the relationship between the nervous system, especially the brain, and mental functions such as language, memory, and perception. Cognitive neuroscience = understanding the nature of thought. How the brain enables the mind. 1994 –cognitive neuroscience society formed. "Cognitive Neuroscience--With its concern about perception, action, memory, language and selective attention---will increasingly come to represent the central focus of all Neurosciences in the 21st century."  -Eric R. Kandel, M.D. (Nobel Laureate) Neuro-pathology: neurological diseases and treatment – alzheimers, parkinsons, MS, etc. Neuro-Physiology: studies functions of Nerv. System Neuro-Endocrinology: studies glands and related disorders Neuropsychopharmacology: R&D of psychoactive drugs to treat neurological disorders – e.g. depression Neuroanatomy, neuroImagery: pretty obvious. **Molecular neurobiology: how parts of the nervous system work at the cellular level. I will be focusing on *** By implication, neuroscientists study the nervous system. who knows what the nervous system is?

8 4 brain regions: Parietal lobes , temporal, occipital, Frontal Lobes = abstract reasoning, planningHow exactly does memory occur? After years of study, we can say that “memory involves a persistent change in the relationship between neurons” the Structures believed to be important for various kinds of learning and memory include the cerebral cortex, amygdala, hippocampus, cerebellum, Areas of the left hemisphere are known to be active in speech and language.

9 ¿Como estudiamos el Cerebro?Estudio de Casos Genetica Imaginería PET EEG Estimulación Magnética Transcraneana (causa disrupción temporal de una región cortical) MRI fMRI These are some imaging techniques used to study brain-physiology: (Quick mention): Case Studies of amnesiacs, epileptilepsy, Agnosia, autism, lesions, etc. Gene Splicing: involves genetic engineering of animals (rats usually) with specific brain pathologies Positron Emission Tomography (PET) Scan -radioactive glucose is injected into the blood stream. The most active neurons absorb more of the radioactive glucose, so it is easy to take a picture of the brain's activity during different tasks. EEG: since brain = 10 billion interconnected nerve cells in ceaseless electrochemical activity, the brain generates brain waves that can be electronically detected and recorded by electroencephalography Magnetic Resonance Imaging (MRI) Scan With an MRI, high frequency alternating magnetic fields are generated that cause the nuclei of the neurons to line up, this is used more to study morphology, as magnetic sensors then detect the different resonance patterns of nuclei of specific tissues, which are then resolved by computer. Functional magnetic resonance imaging (fMRI), “based on the fact that oxyhemoglobin, the oxygen-carrying form of hemoglobin, has a different magnetic resonance signal than deoxyhemoglobin. Activated brain areas utilize more oxygen, which decreases the levels of oxyhemoglobin and increases the levels of deoxyhemoglobin, and within seconds the brain microvasculature responds to the local change by increasing the flow of oxygen-rich blood into the active area. This leads to an increase in the oxyhemoglobin-deoxyhemoglobin ratio, which forms the basis for the fMRI signal in this technique. Because of its high spatial resolution (millimeters) and high temporal resolution (seconds) compared to other imaging techniques, fMRI is now the technology of choice for studies of the functional architecture of the human brain.” CAT: computerized axial tomography = X-ray brain area at different angles, use computer program to make composite. ****** Now, Evidence From PET scans support the idea that there is no “seat of memory” in the Brain. E.g. When you are actively trying to remember something (strategic retrieval= actively searching for a memeory), greater activation is shown in the prefrontal cortex, but during assosiative (automatic) retrieval – e.g. Who is the current president of the U.S - greater activation occurs in the nearby temporal lobe (hippocampus). Two different brain regions are activated depending on what kind of memory you’re searching for. The same thing is confirmed by studying different types of amnesiacs. Damage to the right prefrontal results in memory loss + memory error (confabulations), suggesting a role for the pre-frontal area in memory-retrieval. damage to this area also impairs all processes relying on working memory. Damage to the occipital, temporal lobes impair person’s ability to retrieve specifically visual memories (e.g. what another person’s face looks like), still other forms of remembering seem to rely on still other areas. So it seems clear so far that no specific brain area handles the sole job of remembering, instead – like most cognitive operations, it requires the close cooperation of many sites, each performing it’s own function. But how does this communication happen?

10 Mecanismos de Aprendizaje AsociativoCondicionamiento Clásico Ivan Pavlov (1920s) Aprendizaje Pasivo Condicionamiento Operante B.F. Skinner (1960s) Aprendizaje Activo Learning is the process which produces memory Classical: associative learning in which there is no contingency between response and reinforcer. This situation resembles most closely the archetypal experiment from I. Pavlov in the 1920s, where he trained dogs to associate a tone with a food-reward (see figure). Operant: type of associative learning in which there is a contingency (DEPENDENCE) between the response (LEVER PRESSING) and the presentation of the reinforcer (FOOD). //Technical explanation(skip): the subject is able to generate certain motor-output, (the behavior B, e.g. running around, cleaning, resting, pressing the lever). The experimenter chooses a suited output (e.g. pressing the lever) to pair it with an unconditioned stimulus (US, e.g. a food reward). Often a discriminative stimulus (SD, e.g. a light) is present, when the R-US contingency is true. After a training period, the subject will show the conditioned response (CR, e.g. touching the trigger) even in absence of the US, if the B-US association has been memorized. Such instrumental or operant conditioning is opposed to Pavlovian or "classical conditioning", where producing a response has no effect on US presentations.  ***According to Pavlov, skinner and other early learning theorists, the connections established by classical and Operant (instrumental) conditioning are arbitrary. Just about any conditioned stimulus can become associated with any Unconditioned stimulus , and just about any response can be strengthened by any reinforcer. (skinner was fond of showing people his masochist pigeon). Challenged by fact that animals are biologically prepared to learn certain relations more readily than others, and some forms of learning are species specific.

11 ¿Como se hace posible el Aprendizaje y la Memoria?Transducción de Señales: Comunicación Interneuronas a través de Neurotransmisores en el espacio sináptico Plasticidad Neural: A través de la experiencia, las Neuronas pueden cambiar la manera como funcionan Potenciación a Largo Plazo: Mecanismos Celulares a través de los cuales asociaciones pueden detectarse y guardarse en el cerebro Transduction: -Nerve cells, or neurons, in the brain communicate with one another by way of chemical substances called neurotransmitters. When the cell body receives an above threshold stimulus, the neuron fires by transmitting an electrical signal along its axon, triggering the release of neurotransmitters stored in synaptic vesicles at the axon terminal. The neurotransmitters cross the synaptic gap, and bind to receptor molecules. This will cause certain ion channels in the membrane of the second neuron to open or close. E.g. some neurotransmitters open channels to sodium (Na+), decreasing the voltage across the membrane as the ions flood to the other side of it. This makes the membrane less stable, and once the voltage is reduced enough, the excitation threshold is reached and the action potential in the second neuron is triggered, causing the impulse (electrical signal) to speed down the second neuron’s axon, etc. The opposite effect is also true. I.e. while a large concentration of positively-charged particles entering a receiving neuron tells it to pass on the message, a large concentration of negatively-charged particles entering the receiving neuron will inhibit it from passing on the message. Somehow, the brain keeps tight control of this message delivery system to avoid communication chaos. A single receiving neuron has thousands of receptor sites and may receive many different signals at once. Each neuron adds up the incoming signals and determines whether or not to pass the information along to other cells. Neuron communication is under intense investigation by researchers because when it goes out of balance ailments ranging from epilepsy to memory disorders can occur. Neural Plasticity Essential discovery to understand how memories can be formed as a result of transduction. It is now believed that learning depends on neural plasticity – the capacity for neurons to change the way they function as a result of experience. This was demonstrated by Eric Kandel in the 60s In a series of landmark studies on a sea slug, Aplysia. It has 20,000 central nervous system cells so big they can be seen without a microscope, yet the animal is capable of simple learning. In trials, the animal is first touched lighly and then shocked at the tail. At first, the touch is not enough to elicit a response, but after enough parings, it is. So the animal has developed, or learned a new conditioned response. What was observed was that the pairings caused the neurons to increase the amount of neurotransmitter each time they fired. So, at the end of the learning, these neurons are able to trigger the response of gill contraction (initially only done by the shock) all by themselves! Another kind of Plasticity is called Long Term potentiation – b/c the mechanism involves increase in neuron’s potential for firing, and long term b/c this potentiation lasts for days. Schematically, If neuron A fires over and over, neuron C becomes more responsive to it, but C is also attached to neuron B. If neuron B tends to fire at the same time as A, then C will become more sensitive to it too, spreading potentiation to both A and B, thus in effect we have an association at the molecular level. As you can guess this has many implications for memory drug design as well. LPT is regarded as the most plausible mechanism for the neural basis of memory. This is because it’s main effect is to increase the sensitivity of the post-synaptic neuron from repeated stimulation, in effect making it “remember” the incoming signal. This is simply summarized by: “the brain secures learned information by implementing a series of molecular interactions. ”  Now, to remember a list of facts to pass a test, for instance, or even recalling information like your phone number, relies on the formation of "long-term" memories. “How are these formed”? This has been an ongoing area of study, in which there was only recently a major breakthrough.

12 ¿Que estamos haciendo con nuestros cerebros en estos momentos?Sintiendo sus asientos Moviéndose Mirando Escuchando Recordando Prestando Atención Durmiendo Sintiendo Angustia Sintiendo Hambre ¿Que pasa cuando Ud hace una pregunta?

13 Neuroanatomia FuncionalVisita a la Anatomía del Cerebro y Sistemas Localización / Redes Escalas Sistema Sensorimotor Estados “Mentales” Sistemas Funcionales Específicos Memoria & Emociones Visión & Atención, Lenguaje

14 Anatomía Cerebral

15 Métodos de estudio de la Función CerebralAnimales & humanos: anatomía & fisiología Vías anatómicas, registros de unidades aisladas Pacientes con lesiones focales cerebrales Estudios Conductuales & Anatomía post-mortem Imaginería Estructural: In vivo Correlación estructura/función Neuroimaginería Funcional

16 Escalas de estudio del SN

17 Localización de Funciones en el SNCFrenológica (Gall, hacia 1800s) El Cerebro es el órgano de la mente La mente esta compuesta de múltiples e innatas propiedades. 3. Porque son diferentes, cada propiedad debe tener un lugar único o órgano en el cerebro.

18 Localización de Funciones en el SNC Paul Broca & lenguaje

19 Localización de Funciones en el SNC Mapas & Redes

20 Introducción NeurocienciaOliver Sacks siempre se ha sentido atraído por las islas, esos "experimentos de la naturaleza, lugares benditos y malditos por su singularidad geográfica, que albergan formas de vida únicas". Es esta obra, esa fascinación le lleva a las remotas islas del Pacífico, donde concilia su afición a explorar el mundo real con su pasión por investigar el mundo de la mente. En esta ocasión abandona transitoriamente a los individuos y con herramientas no sólo de neurólogo sino también de antropólogo, investiga a grupos de población que han sido condicionados por un defecto o una deficiencia psíquica. Oliver Sacks

21 En Pingelap y Pohnpei, dos diminutas islas de Micronesia, una proporción muy elevada de la población es completamente ciega al color, al padecer acromatopsia, una rara enfermedad hereditaria. Sacks, acompañado por un amigo norteamericano oftalmólogo y por un científico noruego que también padece esta enfermedad, en la que el mundo se ve en blanco y negro con una infinita gama de grises, visita las islas e investiga la influencia que esta peculiaridad de sus habitantes tiene sobre la vida cotidiana y cómo se refleja sobre su cultura y sus mitos

22 En Guam, otra isla del Pacífico, existe una enfermedad neurodegenerativa que ha sido endémica en los últimos cien años. El lytico-bodig, como la denominan los nativos, se presenta de dos formas: como una parálisis progresiva, que convierte a quienes la sufren en estatuas humanas; en otras ocasiones sus síntomas se parecen a una enfermedad de Parkinson con demencia. A pesar de años de investigación, esta enfermedad continúa siendo un enigma. Una hipótesis, nunca probada, la relaciona con el consumo de harina fabricadas con el falso "fruto" de las cicas, un árbol parecido a la palmera, y que fascina a los botánicos por ser un auténtico fósil viviente, pues ya existía en el jurásico, cien millones de años antes de las palmeras o de cualquier planta con flores.

23 Los esfuerzos en identificar los factores genéticos implicados han sido infructuosos. Un reciente avance involucra a una mutación puntual de una canal calcio/magnesio (TRPM7). Los autores proponen que la mutación incrementa la susceptibilidad a factores externos que resultan en la enfermedad.

24 SINESTESIA

25 Escuchando colores, saboreando formasLas personas con SINESTESIA – sentidos que se mezclan – nos otorgan información valiosa sobre la organizacion y funcion del cerebro humano. Ramachandran & Hubbard Cuando Matthew Blakeslee amaza hamburguesas con sus manos, siente un sabor amargo en su boca. Esmerelda Jones ve azul cuando escucha la nota C en el piano; otras notas le evocan diferentes tonos. Las teclas del piano representan un codigo de color, que facilita el recuerdo de las escalas musicales. Cuando Jeff Coleman observa números impresos en negro, los ve en diferentes tonos de color. Blakeslee, Jones y Coleman son personas que con sinestesia. Ellos experiencian el mundo de una manera extraordinaria y parecen vivir entre la fantasia y la realidad. Para ellos los sentidos de tacto, gusto, oido, vision y olfato se mezclan en vez de mantenerse separados. Sinestesia fue descrita en 1880, por Francis Galton, un primo de Charles Darwin, en la revista Nature. 10/63

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28 ¿Que entendemos por Neurociencia?Historia Objetivos Métodos

29 Durante episodios de histeria colectiva, los individuos actúan con un estado emocional inusual.

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32 Phillipe Pinel ( ) Pionero en hacer mas Humana las instituciones de salud mental, removiendo cadenas y camisas de fuerza

33 La Era Moderna En Neurociencia II estudiaremos las bases moleculares, anatómicas y fisiológicas para entender la función del Cerebro La SINAPSIS es considerada una unidad de procesamiento inserta en una red compleja de interacciones SINAPTICAS entre NEURONAS Gordon Shepherd en su libro “Fundaciones de una doctrina de la Neurona” describe las diferentes etapas (escuelas) que llevaron al concepto moderno de neurona.

34 Niveles de organización del Sistema Nervioso CentralAunque un viaje al nivel reduccionista no siempre ilumina el “todo”, este es necesario para entender las bases biológicas de nuestras conductas. 10^11 neuronas y 10^14 sinapsis en 1400 gr de masa cerebral En 1891 se formula la doctrina de la Neurona. Santiago Ramón y Cajal principal arquitecto de la doctrina de la neurona.

35 La Teoría de la NEURONA algunos hitos importantesEl microscopio acromático fue introducido en 1820. 1833 Christian Ehrenberg publica una serie de vistas de células nerviosas. Plantea que las fibras nerviosas periféricas eran extensiones directas de las fibras del cerebro. 1825 Jan Purkinje, Fisiólogo, inicia sus primeros estudios sobre el sistema nervioso.

36 1836 Gabriel Valentin describe el cuerpo de las células nerviosas1836 Gabriel Valentin describe el cuerpo de las células nerviosas. Una fibra nerviosa termina en otra sin mantener continuidad. 1837 Purkinje describe los procesos llamados dendritas y del axón en células del cerebelo (células Purkinje) describe el protoplasma. 1838 Robert Remak, describe la mielina y el axón describe las neurofibrillas describe las tres capas embrionarias: ectodermo, endodermo, mesodermo. 23/63

37 1839 Theodor Schwann Plantea la teoría celular como principio básico de estudio del SNC.1870 Camillo Golgi introduce la técnica de tinción con plata para visualizar el cuerpo y las terminaciones de neuronas. 1887 Santiago Ramón y Cajal usa la técnica de Golgi. 1891 Wilhen Waldeyer La célula nerviosa es la unidad anatómica, fisiológica, metabólica y genética del sistema nervioso. Define el termino NEURONA. Nace así la doctrina de la Neurona.

38 1897 Charles Sherrington introduce el termino de SINAPSIS.La doctrina de la NEURONA es ampliamente aceptada. En paralelo al desarrollo de esta doctrina Filósofos e investigadores planteaban sus diferencias sobre el origen y función de Mente y Cerebro. La manera clásica de abordar esta pregunta es ilustrada en el modelo de reflejo de Rene Descartes.

39 El circuito reflejo fue materia de investigación científica pero no así la sensación subjetiva de dolor que acompaña el reflejo. Se postulaba que el mundo físico y mental eran materias separadas. En los tiempos de Descartes existían fuertes presiones políticas y religiosas para separar la CONCIENCIA del reino de la ciencia.

40 1863 Sechenov Escuela Rusa de reflexología estudia la naturaleza eléctrica cerebral. Nuestros pensamientos son causados por estimulación sensorial. 1906 Sherrington en su trabajo "Actividad Integrada del Sistema Nervioso" plantea que la experiencia subjetiva requiere una organización neuronal y no refleja. 1949 Donal Hebb En su libro "La organización de la Conducta” propone el concepto de ensamble de neuronas y el papel de la experiencia en el desarrollo de sinapsis.

41 los neurocientistas comenzaron a registrar propiedades de neuronas en la corteza visual y a visualizar con microscopía electrónica los componentes más pequeños de la Neurona (Hubel & Wiesel) Konorski 1967 en su libro "La Actividad Integrada del Cerebro" enfatiza la complejidad de los procesos centrales Luria 1973 "El Cerebro Trabajando" reconoce la importancia de los procesos de alto nivel en el lenguaje.

42 DEL SISTEMA NERVIOSO CENTRALNIVELES DE ESTUDIO DEL SISTEMA NERVIOSO CENTRAL GENES PROTEINAS NEURONAS SINAPSIS CIRCUITOS LOCALES AREAS CORTICALES CONDUCTA

43 Nivel Ciencias Cognitivas Nivel Ciencias Cognitivas   La tomografía de Emisión de Positrones (PET) permite visualizar las zonas cerebrales de mayor actividad. El PET puede detectar pequeños cambios en el flujo sanguino que requiere el funcionamiento de células nerviosas, axones y dendritas. 30/63

44 ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA NERVIOSO

45 El Cerebro esta Compuesto de Células discretas: Neuronas y Glia

46 NEURONAS Composición (núcleo, retículo endoplasmatico.., dendritas, axón) SNC cerca de millones de Neuronas Diferentes morfologías Potencial de Acción Transmisión sináptica (hasta por Neurona) Terminales sinápticos Sinapsis químicas Vesículas sinápticas Neurotrasmisores Receptores de los Neurotrasmisores

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49 LA NEUROGLIA Células gliales (pegamento). 90%No participa directamente en la señal eléctrica (aunque…) Astrocitos (encéfalo, medula espinal) Oligodendrocitos (mielina). Células de Schwann (periferia) Microglia (macrofago)

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51 LA SINAPSIS 40/69

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53 CIRCUITOS Y SISTEMAS NERVIOSOSCircuitos Nerviosos: Neuropilo (griego sentido) Neuronas aferentes (hacia el SN) Neuronas eferentes (desde el encéfalo…) Interneuronas (locales) Sistemas (visual, auditivo)

54 ARCO REFLEJO 40/63

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56 ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA NERVIOSO

57 SNC SNP Cerebro, cerebelo, tronco encefálico y medula espinal- Cerebro, cerebelo, tronco encefálico y medula espinal (análisis e integración de la información Sensitivomotora) Medio Ambiente Interno Externo Músculos lisos Cardiacos Glándulas Músculos Esqueléticos (estriados) EFECTORES Receptores sensitivos (superficie e interior del cuerpo) Ganglios Nervios sensitivos COMPONENTES SENSITIVOS COMPONENTES MOTORES SISTEMA AUTONOMO MOTOR SOMATICO Nervios motores (división simpática, parasimpático, enterica) Ganglios y nervios autónomos SNC SNP

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60 RECEPTORES DE LA PIEL

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62 LOS SENTIDOS ESPECIALES

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64 VIAS ASCENDENTES SENSITIVAS

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66 SISTEMA MOTOR

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70 CEREBRO LOCALIZACION DE LAS FUNCIONES SUPERIORES

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72 Telencéfalo (Hemisferios cerebrales) Diencéfalo (Tálamo e Hipotálamo) Mesencéfalo (Cerebro Medio) Metencéfalo (Puente y Cerebelo) Mielencéfalo (Bulbo Raquídeo) PROSENCÉFALO MESENCÉFALO ROMBENCÉFALO Cerebro anterior Cerebro medio Cerebro posterior Medula Espinal

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