Organización general del sistema nervioso

Este capítulo abre una serie dedicada a cómo se organiza y cómo funciona el sistema nervioso (SN) (nervous system, NS). La idea de fondo viene del capítulo 1: la Psicobiología estudia los fundamentos biológicos de la conducta, y su supuesto fundamental es que el comportamiento y los procesos mentales que lo hacen posible (emociones, aprendizaje, memoria, razonamiento, conciencia…) son fruto del funcionamiento del SN. Para comprender la conducta hay que conocer primero la «maquinaria» que la produce.

En el esquema E‑O‑R (S‑O‑R: stimulus–organism–response), la investigación psicobiológica se centra en el organismo (O): la conducta (R) es el resultado de la actividad del SN en interacción con el ambiente (E). Ese SN es producto de la evolución (selección natural y adaptación), pero su organización también depende de la dotación genética (capítulos 2 y 3) y de factores epigenéticos (epigenetic factors): filogenéticos, genéticos y epigenéticos juntos explican cómo se ha desarrollado, cómo es y cómo funciona.

El encéfalo (brain) se organiza en una jerarquía de centros y circuitos responsables de funciones específicas. Encéfalo + médula espinal forman el sistema nervioso central (SNC) (central nervous system, CNS). Todas las vías nerviosas externas a ellos forman el sistema nervioso periférico (SNP) (peripheral nervous system, PNS).

Las neuronas son los componentes fundamentales y las unidades básicas de procesamiento del SN; Ramón y Cajal las llamó «las mariposas del alma». El encéfalo humano tiene unos cien mil millones de neuronas, y cada una conecta con otras diez mil. Su función principal es recibir información y transmitirla una vez procesada: esa función integradora es la base del funcionamiento neuronal.

Tienen la misma información genética, los mismos elementos estructurales y las mismas funciones básicas que cualquier otra célula, pero se distinguen por dos rasgos: una membrana externa que posibilita la conducción de impulsos nerviosos y la capacidad de transmitir información a otras neuronas y a otras células: la transmisión sináptica (synaptic transmission).

El conocimiento de la estructura del tejido nervioso (histología (histology)) es reciente: hasta finales del siglo XIX no hubo métodos para visualizar una neurona entera.

Faltaba la prueba directa: el poder de resolución del microscopio óptico no permitía demostrar que las neuronas estaban aisladas. El microscopio electrónico, desde mediados del siglo XX, confirmó la doctrina y la genialidad de Cajal.

Neural hace referencia al SN e incluye neuronas y glía. La plasticidad neural (neural plasticity) es la capacidad de nuestro SN para cambiar y reorganizarse en función de las situaciones que se producen a lo largo de la vida. El SN no es rígido: el propio Cajal planteó que los cambios de comportamiento tendrían un sustrato anatómico, hipótesis hoy confirmada.

Los cambios son mayores en las primeras etapas de la vida (desarrollo de los circuitos), pero en la madurez siguen modificándose los contactos sinápticos al aprender y formar memorias, ante situaciones fisiológicas diversas, o ante enfermedades y lesiones. Incluso nacen neuronas nuevas en la etapa adulta en determinadas regiones. Por eso el desarrollo del SN no lo dictan solo los genes, y el cerebro de cada uno es realmente único.

La membrana neuronal. Es el límite entre el interior celular y el medio, y permite a la célula funcionar como una unidad independiente. Fuera está el líquido extracelular y dentro el intracelular: ambos son agua con sales y otras sustancias, pero en concentraciones muy distintas a cada lado, algo fundamental para conducir información (capítulo 10). La membrana es una doble capa de fosfolípidos: cada molécula tiene una cabeza hidrófila (hydrophilic) y colas de ácidos grasos hidrófobas (hydrophobic). Su característica esencial: regular selectivamente el intercambio de sustancias, gracias a proteínas insertadas que forman canales, transmiten señales al interior cuando se les unen moléculas (receptores) o actúan como transportadoras (bombas).

En la mayoría de las neuronas se distinguen tres zonas: cuerpo celular, dendritas y axón. Pulsa sobre el dibujo o sobre las etiquetas.

El cuerpo celular o soma es el centro metabólico. Su citoplasma (sustancia gelatinosa) contiene los orgánulos de cualquier célula: aparato de Golgi, lisosomas, muchas mitocondrias, retículo endoplasmático rugoso y liso, y estructuras fibrilares. En el núcleo están los cromosomas y el nucléolo, que fabrica los ribosomas.

Las neuronas necesitan además proteínas específicas para su función especializada, así que tienen muchísimos ribosomas y un sistema de membranas que continúa la membrana nuclear con el retículo endoplasmático. El retículo endoplasmático rugoso (rough ER) —«rugoso» por los ribosomas adheridos— es tan abundante que se ve al microscopio óptico: es la sustancia de Nissl (Nissl substance), con intensa síntesis de proteínas. Las proteínas pasan a los cuerpos de Golgi, que las empaquetan hacia su destino: enzimas en el líquido intracelular, canales o bombas en la membrana, o productos de secreción como los neurotransmisores. En el ARNm que sale del núcleo se unen ribosomas formando polisomas (polysomes).

El citoesqueleto (cytoskeleton) —proteínas fibrilares o tubulares, principalmente actina, tubulina y miosina— determina la forma de la neurona, le da consistencia y transporta moléculas por su interior: crucial cuando entre soma y terminal puede haber un metro (motoneuronas espinales que inervan los pies). Los microtúbulos son los componentes más grandes y transportan sustancias; los neurofilamentos o neurofibrillas son los más abundantes, y su capacidad de retener el nitrato de plata es lo que hizo posible el método de Golgi. Los ovillos neurofibrilares de la enfermedad de Alzheimer son una alteración de los neurofilamentos.

Las dendritas (dendro, «árbol» en griego) son las principales áreas receptoras. La sinapsis es la zona de transferencia de información de una neurona a otra; el término lo acuñó Sherrington (1857‑1952). Tiene un componente presináptico y otro postsináptico, que marcan la dirección habitual del flujo. La membrana dendrítica suele ser el componente postsináptico, rica en receptores sobre los que actúan los neurotransmisores. La ramificación dendrítica (troncos primarios que se bifurcan) sirve para aumentar la superficie de recepción: miles de sinapsis a la vez. Algunas sinapsis se producen sobre espinas dendríticas (dendritic spines); la extensión del árbol y el número de espinas pueden modificarse por factores ambientales: un ejemplo manifiesto de plasticidad neural.

El axón, más delgado y largo que las dendritas, es uno solo por neurona: la vía por la que la información se propaga hacia otras células. También se llama fibra nerviosa (nerve fibre) y mide de unas micras a varios metros (motoneuronas de las ballenas). A diferencia de las dendritas, se ramifica sobre todo en su zona distal. Sus botones terminales (forma de disco hinchado) contienen vesículas sinápticas con neurotransmisores que se liberan por exocitosis.

El citoesqueleto del axón transporta lo que el soma fabrica hasta el terminal, y lo que el terminal capta del entorno hasta el soma. Elige dirección y velocidad para ver qué viaja.

La mayor parte de las neuronas del SNC solo conectan con otras neuronas: son interneuronas o de proyección.

Las neuronas no son las únicas células del SN: las gliales mantienen a las neuronas en condiciones óptimas y aseguran su supervivencia. Las describió Rudolf Virchow en 1859. En el SNC destacan astrocitos, oligodendrocitos y microglía; las investigaciones del vallisoletano Pío del Río Hortega (1882‑1945) permitieron distinguir los oligodendrocitos y la microglía. En el SNP, las células de Schwann —aunque no se incluyen en la neuroglía— son las células de soporte y hacen muchas funciones de la glía del SNC.

La mielina (myelin) es una vaina formada sobre todo por lípidos: un buen aislante que mejora mucho la transmisión de impulsos. No es continua: se interrumpe cada milímetro por zonas de ≈ una micra donde el axón queda al descubierto: los nódulos de Ranvier (nodes of Ranvier).

La mielinización va unida a la capacidad funcional: las neuronas con el axón completamente mielinizado transmiten rápido y son totalmente funcionales. Por eso cualquier alteración de la mielina tiene consecuencias: en la esclerosis múltiple (multiple sclerosis), una de las enfermedades más frecuentes del SN, se pierde la mielina de los axones del SNC: debilidad muscular, pérdida de coordinación motora, deterioro de la visión, del lenguaje…

El SNC incluye el encéfalo (dentro del cráneo) y la médula espinal (dentro de la columna vertebral). El SNP lo forman los ganglios y nervios que comunican el SNC con el resto del organismo. El circuito funcional: las neuronas del SNP (en los ganglios) recogen información con los receptores sensoriales y la transmiten —con alguna excepción— a la médula espinal y al tronco del encéfalo (por los nervios espinales y craneales); estas neuronas contactan con otras zonas del SNC para procesarla; la información se almacena o se emite una respuesta, y las órdenes viajan por el SNP a los órganos efectores (effectors): músculos y glándulas.

Esa división es anatómica. Desde un punto de vista funcional distinguimos sistemas sensoriales (recogen y procesan la información del entorno), sistemas motores (generan movimiento y otras respuestas) y, entre ambos, los sistemas de asociación (association systems): los circuitos de las funciones más complejas —pensar, sentir, el lenguaje, almacenar y recuperar información—, que constituyen la mayor parte del encéfalo y son los que más interesan a quien estudia el comportamiento humano.

Encéfalo y médula están organizados a lo largo de dos ejes: el rostro‑caudal —también llamado neuroeje (neuraxis), una línea imaginaria desde la parte frontal del encéfalo hasta el final de la médula— y, perpendicular a él, el dorso‑ventral, de la espalda al abdomen. Las estructuras próximas a la línea media son mediales; las situadas hacia los lados, laterales.

En la rata el neuroeje es casi una línea recta. En el ser humano, por la postura erecta, la cabeza forma un ángulo con el cuerpo: entre el eje de la médula y el tronco del encéfalo y el del encéfalo anterior hay ≈ 60°. Consecuencia: los mismos términos apuntan a sitios distintos según la región.

Para estudiar la estructura interna hay que hacer cortes o secciones; como el SN es tridimensional, se secciona en tres planos principales que dan una visión bidimensional.

En los primeros días de cualquier vertebrado, el SNC es un tubo: sus paredes serán el tejido nervioso, y su interior, los ventrículos cerebrales. Recorre las etapas; pasa el ratón (o toca) sobre un bloque para ver su linaje.

Las fibras de los nervios craneales y espinales pueden ser aferentes (sensoriales) o eferentes (motoras), e inervar estructuras somáticas o viscerales. Al combinar los dos criterios salen cuatro tipos. Pulsa una celda.

La mayoría surgen del tronco del encéfalo. Algunos son exclusivamente del SN somático (p.ej., el trigémino, V); otros incluyen componentes del SN autónomo (p.ej., el facial, VII). Pueden ser sensoriales, principalmente motores o mixtos. A diferencia de los espinales, en los craneales las fibras sensoriales y motoras entran y salen del tronco del encéfalo por el mismo punto. Los nervios «motores» llevan además una pequeña proporción de fibras sensoriales con información sobre la tensión de los músculos que controlan: información propioceptiva (proprioceptive).

La médula espinal es larga y cónica, protegida por la columna, y va desde la base del cráneo hasta el límite de la segunda vértebra lumbar. Dos funciones: conducto de las vías que van al encéfalo y vienen de él, y función integradora de algunas actividades reflejas sin mediación encefálica. Es la única estructura del SNC con un patrón claro de segmentación: los nervios salen por los agujeros intervertebrales (intervertebral foramina), un par por segmento, y reciben el nombre de la zona de la columna de la que parten. Pulsa una región.

Cada nervio espinal se une a la médula por una raíz dorsal (posterior), con el ganglio de la raíz dorsal o raquídeo (dorsal root ganglion), y una raíz ventral (anterior). Cada raíz lleva un solo tipo de fibra; al unirse, el nervio es mixto. Este es un importante principio diagnóstico: elige dónde está la lesión.

El líquido cefalorraquídeo (LCR) (cerebrospinal fluid, CSF) se extrae de la sangre y tiene una composición muy parecida al plasma sanguíneo. Baña el exterior del SNC (espacio subaracnoideo) y llena las cavidades interiores: los ventrículos cerebrales y el conducto central de la médula. Hay cuatro ventrículos:

La mayor parte la secretan los plexos coroideos (choroid plexuses), sobre todo en los ventrículos laterales (pequeñas cantidades también en los espacios subaracnoideo y perivasculares). Sigue el recorrido:

La sangre llega por dos sistemas, conectados por redes de arterias: las carótidas internas (circulación anterior) y las vertebrales (circulación posterior o sistema vertebrobasilar). La médula espinal recibe sangre de la circulación sistémica y, en menor proporción, de las vertebrales.

El círculo o polígono de Willis (circle of Willis) reduce la vulnerabilidad a la obstrucción local: es un sistema de seguridad. Aun así puede producirse un ictus o accidente cerebrovascular (stroke): un coágulo bloquea la irrigación de una zona. Su gravedad depende del tiempo que se tarde en restaurar el flujo, y los síntomas, de la zona afectada.

La barrera hematoencefálica (blood–brain barrier, BBB) controla lo que entra en el encéfalo por la sangre: filtra las sustancias tóxicas y deja pasar nutrientes y gases de la respiración. Así mantiene un medio extracelular estable: si cambia la composición del fluido que baña las neuronas, la transmisión de información no puede producirse.

Historia. La idea empezó con el bacteriólogo alemán Paul Ehrlich (1854‑1915): ciertos colorantes inyectados por vía intravenosa teñían todos los órganos excepto el encéfalo y la médula espinal. Solo el microscopio electrónico demostró que la barrera se debe a las células endoteliales de los capilares del SNC.

Aplicación clínica: las bombas exportadoras devuelven a la sangre muchos medicamentos que habían atravesado las células endoteliales, y eso dificulta tratar enfermedades del SNC. Se prueban procedimientos que eludan estas bombas o las desconecten pasajeramente.

La barrera no es completa en todo el SNC. Las zonas sin barrera están cerca de la línea media, a lo largo del sistema ventricular: los órganos circunventriculares (circumventricular organs). Tienen más densidad de capilares que el tejido vecino y, o bien secretan sustancias a la sangre (p.ej., la neurohipófisis), o bien detectan compuestos de la sangre, y así ayudan a regular el ambiente interno.