Neurociencia aplicada a la relajación, y la meditación: Introducción a la neurociencia

Introducción

Este es el primero de una serie de tres artículos dedicados a presentar las relaciones existentes entre dos campos: la neurociencia y la relajación consciente - meditación - mindfulness. La neurociencia puede aportar un conocimiento del qué está pasando, desde el punto de vista biológico, en el sistema nervioso mientras nos relajamos y meditamos, lo cual puede ser de utilidad práctica, pues quizá podremos "ajustar" los ejercicios para obtener mejores beneficios, además del evidente interés científico que tiene el relacionar el mundo subjetivo con el mundo físico.

Pero además hay otra razón que hace interesante la neurociencia incluso para los meditadores "puros" (en el sentido de aquellos que tienen dedicación completa a la experiencia subjetiva de la meditación), y es una visión más amplia, menos dualista, de la materia, el cuerpo, la mente y la interioridad subjetiva; pues siempre ha habido una brecha entre la subjetividad y la interioridad y el mundo físico, pero esta brecha es puramente conceptual, en realidad no hay separación real entre materia, mente y espiritualidad, sino que los tres aspectos son complementarios, se interprenetran entre sí en un único todo no dual, de forma que los pensamientos y las emociones se relacionan con impulsos eléctricos que se transmiten entre ciertas zonas del sistema nervioso, gracias al intercambio a nivel celular de elementos bioquímicos; así, la materia inerte evolucionó en materia viva, de la que surgió un sistema nervioso evolucionado, capaz de generar la subjetividad que experimentamos como muy personal. ¡Nuestra emociones surgen de la bioquímica! Y esta afirmación no tiene porque tomarse como de un materialismo extremo, más propio del siglo XX que del XXI, al contrario, como decíamos, puede verse como una unidad no dual materia-mente, en la cual es imposible encontrar la línia divisoria exacta entre materia y mente, entre sistema nervioso y espiritualidad, sólo encontramos grados de refinamiento, de desarrollo, de evolución.

Concretamente, en este artículo trataremos los siguientes temas:

• Neurociencia. Genética, conducta y epigenética
• Morfología y funciones de las principales células del sistema nervioso. La barrera hematoencefálica.
• El potencial de membrana y la conducción de los potenciales de acción de una neurona.
• La sinapsis y los mecanismos de la neurotransmisión.
• Estructura del sistema nervioso, sus funciones.
• Partes principales del sistema nervioso central y el periférico.
• Funciones del encéfalo y la medula espinal.
• Sistema nervioso periférico somático y autónomo, sus funciones

Introducción a la neurociencia: sistema nervioso y cerebro

La Neurociencia trabaja en el área del conocimiento que se encarga del estudio del sistema nervioso (SN) a todos los niveles: desde el nivel más básico, químico (molecular) hasta el nivel superior, cognitivo y conductual. 

Por conducta entendemos el conjunto de manifestaciones del organismo reguladas por los sistemas biológicos, en especial el SN y los sistemas endocrino (regulado por las hormonas) y el inmunitario. Distinguimos entre:

• La conducta innata: muy vinculada a la información genética del individuo (compartida con su especie), se nace con ella o se desarrolla al poco tiempo y no precisa aprendizaje, ya que se crea gracias a la generación de redes neuronales durante el período embrionario. Permite una respuesta rápida y poco alterable (aunque sigue siendo modificable), relacionada con la supervivencia.

• La conducta aprendida: se crean nuevas conexiones neuronales por aprendizaje, ello  permite una adaptación rápida al ambiente (neuroplasticidad: cambio de las estructuras del SN por el ambiente), también se influencian la expresión de los genes (mecanismos epigenéticos): el aprendizaje afecta al SNy también a los genes del organismo, que evoluciona.

Algunos conceptos básicos de genética molecular

ADN, genes y cromosamas

En las células del cuerpo, la síntesis de proteínas necesaria para la vida se produce a partir de la información genética de la célula; cada gen es una cadena de una molécula compleja, el DNA (ADN en castellano), que contiene las "instrucciones" (un código genético) para sintetizar cada proteína. La evolución de la vida, en sus inicios, generó primero proteínas que eran capaces de replicarse a sí mismas, y posteriormente (unos cuantos cientos de millones de años después) optimizó muchísimo el proceso de replicación "inventando" proteínas, el DNA, especializadas en contener las instrucciones para replicar otras proteínas; si queréis más  información sobre ello podéis leer Génesis (II): el origen de la vida, de nivel básico.

El genoma es el conjunto de todos los genes de un individuo, que comparte (y define) una especie. Por ejemplo,  el genoma de Homo sapiens sapiens consta de 23 pares de cromosomas, que contienen unos 20.500 genes. El  cromosoma es donde se deposita la información genética de la célula: los genes se hallan dispuestos linealmente a lo largo del cromosoma, y el cromosoma se situa en el núcleo celular. Cada cromosoma está formado principalmente por moléculas de DNA, y también por proteínas (las histonas)  que actuan como "andamiaje": el DNA si lo estiramos mide cerca de dos metros, así que para “empaquetarlo” en el interior del núcleo de la célula, se enrolla alrededor de las histonas y se pliega. 

Fig.1: Cromosoma de la mosca de la fruta; el 50 % de las secuencias genéticas de la mosca tiene análogos en los mamíferos. (Wikipedia Commons)

Epigenoma y epigenética

A diferencia del genoma, que se mantiene estable e inmutable desde que nacemos (si no se dan mutaciones), el epigenoma es dinámico y variable, muy sensible al ambiente: un cambio de dieta o de estilo de vida lo afecta; se han descrito cambios epigenéticos después de un sólo día de práctica intensiva de mindfulness en meditadores experimentados. La epigenética estudia  las interacciones entre genes y ambiente que se producen en los organismos: nuestras propias experiencias pueden marcar nuestro material genético de una forma hasta ahora desconocida (esto se empezó a considerar a partir del año 2003 con el Proyecto Genoma Humano), y estas marcas pueden ser transmitidas a generaciones futuras; se han podido discernir mecanismos epigenéticos en una gran variedad de procesos fisiológicos y patológicos que incluyen por ejemplo varios tipos de cáncer, patologías cardiovasculares, neurológicas, reproductivas e inmunes, todas ellas pueden generar "marcas" en el individuo que son susceptibles de heredarse.

Los científicos se han dado cuenta de que somos más que un mero programa genético configurado en los cromosomas; hay genes que pueden modificar su funcionamiento sin necesidad de un cambio en la secuencia del ADN. Este cambio en su forma de manifestarse está generalmente ligado a su origen parental: Un gen marcado se manifiesta de una manera cuando su origen es paterno y de otra cuando es de origen materno, parece ser que existe un mecanismo celular que de algún modo marca todos los genes "marcables" de acuerdo al sexo del individuo.

Fig.2: Las modificaciones epigenèticas pueden provenir del desarrollo normal (etapas embrionaria e infantil), y también de la influencia de compuestos químicos, drogas, medicamentos, dietas, ... que introducen pequeños cambios bioquímicos, si alterar la secuencia genética, que sí afectan a la estructura local del cromosoma, afectando a la activación de ciertos genes. (Wikipedia Commons)

Como la epigenética nos revela que incluso un cambio de dieta puede alterar el comportamiento de los genes, se sigue que la alimentación puede usarse para mejorar la salud y la resistencia a enfermedades a nivel genético: es la nutrigenómica.

Cronología de la neurociencia: los orígenes

Prehistoria, 8000 aC	Están documentadas trepanaciones hace 10.000 años, supuestamente con objetivo terapéutico.
Antiguo Egipto, 3000 aC	La sede del alma y el depósito de la memoria es el corazón.
Hipócrates (460-289 aC.)	El cerebro participa en las sensaciones y es la sede de la inteligencia
Galeno (130-200 aC)	Descubrió los 3 ventrículos cerebrales (doctrina ventricular): la 1a colecta de impresiones del ambiente (las sensaciones); la 2a, el procesamiento de las impresiones en la imaginación o el pensamiento; y la tercera, su almacenamiento en la memoria.
Descartes (1596-1650)	Las capacidades singulares de la mente humana existen fuera del cerebro, en la mente (dualismo mente-cerebro). El centro operativo de la mente está en la glándula pineal.
Galvani (1737-1798), Dubois-Reymond (1818-1896), Müller (1801-1858), Von Helmholtz (1821-1894)	Fundamentos de la electrofisiología. La actividad eléctrica de las células nerviosas es la forma de transmitir información desde un extremo a otro de una célula, y también desde una célula a otra.
Joseph Gall (1757-1828)	Problema fundamental en la historia de la Neurociencia: la localización de funciones en el cerebro; el encéfalo es un órgano de la mente y que el córtex cerebral no es homogéneo sino que contiene centros particulares que controlan funciones mentales específicas. Frenologia.
Florens (1794-1867)	Las conductas específicas no dependen exclusivamente de regiones específicas del encéfalo, sino que todas las regiones del encéfalo, participan en cada función mental (Teoría del campo agregado).
Ramón y Cajal (1852-1934)	Doctrina neuronal: el sistema nervioso está formado por células independientes, las neuronas, que contactan entre sí en lugares específicos, las sinapsis
Wernicke (1848-1904)	Conectivismo: sólo las funciones mentales más elementales, como las actividades motoras o perceptivas sencillas, tienen una localización en una única región cerebral. Las conexiones entre las diversas áreas hacen posible las funciones intelectuales complejas.

El sistema nervioso (SN)

Fig. 3: Sistema nervioso, fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/File:TE-Nervous_system_diagram.svg, Wikipedia Commons

El sistema nervioso es el conjunto de órganos y estructuras cuya unidad funcional básica son las neuronas. y con la  función  de captar y procesar las señales del medio ambiente para lograr una adecuada, oportuna y eficaz respuesta. Se divide conceptualmente en dos partes: el SN central (SNC) y el SN periférico (SNP).

El sistema nervioso central está formado por el encéfalo (a su vez formado por el cerebro, el cerebelo y el tallo cerebral) y la médula espinal.

La médula espinal es un largo cordón blanco localizado en el canal vertebral, encargada de llevar impulsos nerviosos, comunicando el encéfalo con el cuerpo, mediante dos funciones básicas: la aferente, en la que son llevadas sensaciones del tronco, cuello y los cuatro miembros hacia el cerebro, y la eferente, en la que el cerebro ordena a los órganos efectores realizar determinada acción, llevando estos impulsos hacia el tronco, cuello y miembros. Entre sus funciones también encontramos el control de movimientos inmediatos y vegetativos, como el acto reflejo, el sistema nervioso central, simpático y parasimpático.

 
El sistema nervioso periférico está formado por una ramificada red de nervios, las fibras aferentes (conducen las señales al cerebro) y las eferentes (envían las señales del cerebro), craneales y espinales, que emergen del sistema nervioso central y que recorren todo el cuerpo.  Se divide en dos categorías: el SNP somático que relaciona al organismo con el entorno, y el SNP autónomo relacionado con el medio interno del cuerpo. Todas estas divisiones son conceptuales, pues todo el SN está interrelacionado.

El cerebro

Las funciones del cerebro son:

• Sensitivas: recibir estímulos, procesarlos e integrarlos para formar percepciones.
• Motoras: movimiento voluntario e involuntario
• Integradoras o complejas: aprendizaje, memoria, lenguaje, ...

Fig. 5:Hemisferios del cerebro.Wikipedia

Lóbulos y hemisferios cerebrales

Fig. 4: Lóbulos del cerebro, hemisferio izquierdo

Cada hemisferio (lado izquierdo y lado derecho del cerebro) se divide en  4 lóbulos deparados por surcos (ver figuras). En los lóbulos hay áreas funcionales (o sea que se encargan de funciones específicas básicas) y áreas asociativas (que se encargan de funciones complejas, como la creatividad). Los lóbulos "trabajan en equipo": si estamos paseando por la montaña, el lóbulo frontal ayuda a tomar las decisiones sobre a dónde movemos, el parietal nos ayuda a captar el espacio por donde nos movemos, el occipital para ver donde nos movemos y los temporales para captar los sonidos del entorno.

• Lóbulo frontal: zona ejecutiva, planificar, decidir, consciencia de las emociones
• Lóbulos occipitales: procesamiento visual
• Lóbulos temporales: procesamiento del sonido, habla, partes de la memoria
• Lóbulos parietales: movimiento, orientación, ordenación y cálculo

Vemos que las áreas cerebrales se relacionan no sólo con los sentidos, la memoria y la cognición, sino también con las emociones, con el comportamiento y con la personalidad.

Además, las funciones de cada hemisferio cerebral también son distintas: el hemisferio derecho trata sobre presente, el aquí y el ahora, piensa con imágenes, es creativo e imaginativo y está relacionado con el movimiento del cuerpo (cinestesia), mientras que el hemisferio izquierdo piensa de forma lineal y metódica, analítica, está relacionado con el lenguaje, utiliza datos del pasado para intentando predecir el futuro, proyectando las posibilidades; contiene dos estructuras, el área de Broca y el área de Wernicke, especializadas en el lenguaje hablado y escuchado, respectivamente. Los dos hemisferios están comunicados por muchas fibras nerviosas alojadas entre los dos hemisferios en el denominado cuerpo calloso.  Además de estas funciones de alto nivel, los hemisferios también se encargan de procesar las señales del cuerpo: cada hemisferio se encarga de los procesos sensoriales y motores del lado opuesto del cuerpo.

Hemisferio izquierdo	Hemisferio derecho
Lenguaje, procesos cognitivos verbales	Procesos cognitivos no verbales, visualización
Cálculo, lógica, anállisis	Emociones, creatividad, cinestesia
Orden, secuencia, ritmo, sentido del tiempo	Imaginación, intuición, pensamiento holístico
Control, normas, causa-efecto, jerarquía	Comprender las metáforas, las expresiones faciales

La mayor parte de nuestras actividades están lateralizadas: se encarga de ellas uno u otro hemisferio; además, sucede que la mayoría de personas tienen un hemisferio dominante, de forma que su forma de pensar también está lateralizada.

Las neuronas y sus conexiones

Las neuronas son células especializadas en transmitir impulsos nerviosos, de naturaleza eléctrica; estos impulsos se transmiten por los axones (los "cables"), mientras que las dendritas son como antenas que reciben la mayoría de la información que proviene de otras células.

Fig. 6: Neurona (Wikipedia)

Tanto las dendritas como los axones se comunican con otras células neuronales o musculares mediante un mecanismo de conexión denominado sinapsis: la electricidad pasa de una célula a otra mediante intercambio de iones (moléculas cargadas eléctricamente) o bien mediante la segregación de sustancias químicas mediadoras (los neurotransmisores). En el primer caso decimos que es una sinapsis eléctrica, más rápida pero menos adaptable, en el segundo caso se trata de una sinapsis química, más lenta pero más adaptable, más plástica, relacionada con la neuroplasticidad.
Sustancias blanca y grisHay zonas del sistema nervioso que están formadas fundamentalmente por los núcleos neuronales y sus dendritas, debido a su coloración grisácea se llaman sustancia gris; las encontramos en la corteza cerebral y en el centro de la médula espinal. En cambio otras zonas están densamente pobladas de axones, y por su color blanquecino se conocen por sustancia blanca, que en el cerebro se localiza en las zonas más internas.

Neuroglía y otras células cerebrales de soporte

Además de las neuronas, hay otro tipo de células cerebrales de la misma importancia, aunque menos conocidas: constituyen la neuroglía, o abreviadamente, la glía. Las células gliales se encargan de controlar los niveles de neurotransmisores, colaboran en la formación de las vainas de mielina en los axones, entre otras funciones de soporte, y en el ser humano son mucho más numerosas que en otras especies: de 5 a 10 veces más abundantes. También hay otras células que tienen funciones de protección de las neuronas, rodeándolas con una barrera protectora denominada barrera hematoencefálica, que restringen la circulación de moléculas grandes potencialmente tóxicas (y de bacterias), pero permite el paso selectivo de glucosa, hormonas, y demás moléculas necesarias.

Neurotransmisores

Para las sinapsis químicas existen diversas sustancias mediadoras neurotransmisoras, se conocen unas 100 actualmente, con efectos y funciones diferentes; por ejemplo la acetilcolina es importante para la consolidación de la memoria y para la estimulación de los músculos y es utilizada por la neuronas conectadas con la musculatura, el SNA y la corteza cerebral, la oxitocina está relacionada con la fisiología emocional, la dopamina se usa para las conexiones relacionadas con los sistemas de recompensa del cerebro, y la serotonina está relacionada con la producción de la proteína melatonina, reguladora del sueño. Los niveles corporales de estos neurotransmisores son fundamentales para el correcto funcionamiento de todo el sistema nervioso; por ejemplo, un aumento del nivel de serotonina suele venir acompañado de una sensación de bienestar y relajación, y a una inhibición de la ira y la depresión.

Mielinización

La mielina es una proteína que colabora en la transmisión de los impulsos nerviosos; en la figura 6 vemos que la mielina forma un recubrimiento de los diferentes "eslabones" de los que está formado el axón; este recubrir se denomina mielinización, y es un proceso que empieza en la gestación y se prolonga hasta la edad adulta: en las zonas de los lóbulos temporales y parietales se ha comprobado que no se completa hasta ... ¡los 30 años!.  Un buen recubrimiento de mielina facilita la transmisión de impulsos, y un déficit la dificulta, como en el caso de la esclerosis múltiple.

Potencial de acción neuronal

Mientras una neurona no esté enviando una señal, se dice que está en "reposo"; no obstante, desde el punto de vista eléctrico la neurona en reposo no es neutra, sino que tiene un potencial eléctrico negativo (recordemos que la corriente eléctrica circula desde zonas con potencial positivo hacia zonas con potencial negativo, "va de más a menos"), de aproximadamente -70 mV (milésimas de Voltio), este potencial se denomina potencial de reposo o potencial de membrana.  Cuando aparece un estímulo, se modifica el equilibrio celular y la neurona gana potencial eléctrico; si el estímulo es suficientemente potente, cuando el potencial llega cerca de -55 mV, valor conocido como potencial umbral, la neurona experimenta una explosión de actividad eléctrica, aumentando el potencial hasta los +50mV (potencial de acción) durante un breve espacio de tiempo, una centésima de segundo, volviendo luego al estado de reposo (figura 7). Se produce entonces una corriente que se transmite por el axón.

Fig. 7: un estímulo aumenta el potencial eléctrico hasta el umbral, disparando el potencial acción (Wikipedia)

Si la neurona no alcanza este umbral crítico, no se producirá el potencial de acción (en la figura 7 se ve como un estímulo insuficiente no alcanza el umbral), y cuando se alcanza el umbral siempre se produce un potencial de acción estándar que es el mismo para cualquier neurona. Por lo tanto, la neurona o no alcanza el umbral o se produce un potencial de acción completo, es una respuesta SI/NO.

Sinapsis y potencial de acción

En la figura vemos aumentado el espacio entre el terminal del axón de una neurona y la dendrita de otra neurona. El axón de la neurona transmisora, denominada presináptica, ha recibido un estímulo suficientemente poderoso para activar el potencial de acción, y como consecuencia libera los neurotransmisores en ese espacio sináptico; en la dendrita de la neurona receptora, denominada postsináptica, hay unos receptores sensibles a los neurotransmisores que se unen a ellos, cambiando el potencial eléctrico de la neurona receptora, de esa forma el impulso del potencial de acción original afecta a otra neurona a través de la sinapsis.

Fig.8: detalle de una unión sináptica química. https://es.wikipedia.org/wiki/Sinapsis

Las sinapsis tampoco son todas iguales, las hay más establecidas, reforzadas, y las hay más débiles. En las sinapsis fuertes, el potencial de acción de la neurona transmisora se transmite muy bien a la receptora, y será capaz de provocar en ella otro potencial de acción, propagándose el estímulo original por toda la red neuronal interconectada entre sí por sinapsis fuertes. En cambio en sinapsis débiles no se llegará al potencial umbral en la neurona receptora, y el impulso no se propagará más allá. De nuevo encontramos aquí la neuroplasticidad, en este caso la neuroplasticidad sinaptica. Así la respuesta de una neurona depende de las señales que recibe de otras (entre miles y cientos de miles), con las que puede tener distintos grados de influencia, dependiendo de la fuerza de la sinapsis con esa neurona.

Redes neuronales

Cada neurona se comunica con muchas otras al mismo tiempo, pueden ser cientos de miles, y es capaz de enviar estímulos varias veces por segundo. El que una neurona puede enviar o no un estímulo depende del equilibrio de influencias que la excitan o la inhiben en un momento dado. Toda esta red de comunicaciones es dinámica: los axones ("cables") tienen un crecimiento influenciado por el uso que damos al cerebro, también las sinapsis que se establecen; del mismo modo que crecen conexiones, también pueden decrecer si ya no se usan. A este dinamismo de las conexiones le hemos llamado neuroplasticidad.  Al conjunto de neuronas y las conexiones que han formado entre ellas se le llama red neuronal.
Las redes neuronales suelen estar especializadas en tareas concretas: procesamiento de emociones, información sensorial, dependencia de las drogas, creencias ... por ejemplo hay una red asociada con el placer-recompensa y otro con el disgusto-repulsión. Algunas redes se forman durante la gestación, dirigidas por los genes, otras se forman como resultado de la experiencia y el aprendizaje, gracias a la neuroplasticidad. Por tanto, una persona que use su cerebro para pensar, leer, estudiar, entender el mundo, está desarrollando y fortaleciendo continuamente la creación y mantenimiento de redes cerebrales, manteniendo su cerebro activo. La neuroplasticidad también permite entrenar el cerebro, por ejemplo para mejorar la memoria. Evidentemente, como órgano físico que es, el cerebro también necesita una correcta nutrición, y unos sistemas circulatorio y respiratorio en buenas condiciones.

Neuroplasticidad

Ya hemos dicho que equivale a decir que las conexiones neuronales son dinámicas: tanto pueden crearse por la experiencia y el aprendizaje, como destruirse por el desuso. Con cada conocimiento nuevo se crea una red, que posteriormente se puede reforzar, si usamos y ampliamos ese conocimiento, como debilitar, si no lo utilizamos.
Se creía hasta no hace mucho tiempo que nacíamos con todas las neuronas y que durante la vida no podían generarse de nuevas, pero descubrimientos recientes han confirmado que no es así, y ahora se sabe que en la edad adulta todavía se generan nuevas neuronas, en algunas zonas, como en el hipocampo, no en todas. Curiosamente, una de las formas comprobadas de generar nuevas neuronas no es a través de ningún proceso cognitivo, sino a través del ejercicio aeróbico, que se ha comprobado que tiende a generar neuronas nuevas en el hipocampo; otro medio muy verificado es practicar meditación, volveremos sobre ello en el artículo Neurociencia aplicada a la relajación y a la meditación.