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Ciencia Fresca

La ciencia no deja de asombrarnos con nuevos descubrimientos insospechados cada semana. En el podcast Ciencia Fresca, Jorge Laborda Fernández y Ángel Rodríguez Lozano discuten con amenidad y, al mismo tiempo, con profundidad, las noticias científicas más interesantes de los últimos días en diversas áreas de la ciencia. Un podcast que habla de la ciencia más fresca con una buena dosis de frescura.

Células del cerebelo. La máquina térmica terrestre. Neuronas del comer.

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La vida de las neuronas del cerebelo.

Uno de los misterios de la Biología aún no bien comprendidos es cómo a partir de una célula precursora, una célula madre por ejemplo, las células hijas se diferencian unas de otras y forman las complejas estructuras de órganos y tejidos estructuras. La diferenciación celular consiste en la puesta en marcha y la detención del funcionamiento de genes específicos, que son los que permiten a las células adquirir las propiedades propias de su función y también comunicarse con otras y autoorganizarse en los diferentes órganos y sistemas. Así, una neurona no posee el mismo conjunto de genes funcionando que una célula de la piel, a pesar de que dentro de un mismo organismo, ambas tienen idéntico genoma. Igualmente, la manera en que las células de la piel se comunican con otras y se organizan es diferente a la manera en que lo hacen las neuronas.

La diferenciación celular a partir de una célula precursora es similar a la realización de un programa, es decir, a una serie de pasos secuenciales que la célula debe seguir desde una situación inicial a una final. Durante la realización de estas etapas, la célula llega a puntos de chequeo, a paradas en las que debe ser capaz de recibir nuevas señales moleculares que le permiten progresar en su programa de diferenciación. Estas señales son emitidas por células vecinas o más distantes y son necesarias en tanto que mensaje que le dice a la célula que todo va bien y puede seguir con la siguiente etapa de su programa.

Investigadores del centro de investigación en Biología del Desarrollo RIKEN, de Japón, han estudiado en un modelo en cultivo en 3D el desarrollo del cerebelo y las señales moleculares necesarias para el mismo. El cerebelo, una estructura situada bajo la parte occipital del cerebro, está implicado en el control motor, aunque se cree que puede también participar en otras funciones cognitivas, incluida el lenguaje. Este órgano está formado por varios tipos de células especializadas en diversas funciones y capaces de responder a diferentes neurotransmisores.

Para averiguar más sobre el desarrollo de esta importante parte del tejido nervioso y cómo surgen, se diferencian y se organizan las diferentes células que lo constituyen, los científicos exploran varias señales moleculares que podrán inducir el desarrollo de la estructura del cerebelo. Encuentran que el tratamiento con el factor de crecimiento denominado Factor de Crecimiento Fibroblástico 2 (FGF2) induce la diferenciación de neuronas típicas del cerebelo a partir de células madre embrionarias humanas. Estas neuronas parecían funcionar de la manera que era de esperar, lo que indicaba que el programa de diferenciación había sido completado con éxito.

Pero un órgano es más que una colección de células. Estas deben organizarse y situarse en el lugar correcto para su función. Los investigadores encuentran que el tratamiento de los cultivos de células madre embrionarias humanas con FGF19 y con otro factor denominado SDF1, además de con FGF2, indujo una organización celular tridimensional propia de la encontrada en el cerebelo.

Estos resultados, publicados en la revista Cell Reports contribuyen al avance de los principios de auto organización celular indispensables para el desarrollo, así como permiten albergar la esperanza de generar en el laboratorio nuevas células del cerebelo para tratar enfermedades causadas por su mal funcionamiento, como la ataxia espinocerebelar (1).

La máquina térmica planetaria.

La atmósfera trabaja como una máquina térmica, es decir, una máquina que intercambia calor entre una masa a más temperatura y otra a temperatura menor obteniendo en el proceso energía que puede ser utilizada para realizar un trabajo útil. Hoy existen muchos ejemplos de máquinas térmicas: la máquina de vapor que impulsó la revolución industrial, el motor de explosión que mueve nuestros automóviles o las turbinas a reacción que impulsan a los aviones son buenos ejemplos. En todas ellas el combustible calienta una cámara a alta temperatura y utiliza las propiedades de expansión de los gases para generar energía mecánica antes de expulsarlos de nuevo al ambiente a menor temperatura.

Un estudio publicado en la revista Science aprovecha los conocimientos sobre las leyes que gobiernan el funcionamiento de las máquinas térmicas para analizar el comportamiento de la atmósfera terrestre. En el fondo, la atmósfera de la Tierra se comporta también como una máquina térmica, el Sol que calienta la superficie terrestre de tal manera que las regiones tropicales adquieren mayor temperatura que las regiones polares.

Cuando el Sol calienta una superficie, el aire situado directamente encima se calienta también, se expande y se eleva hacia las capas más altas y frías. Esas masas de aire caliente circulan por todo el globo y llegan hasta las regiones polares donde se produce una pérdida de energía por radiación infrarroja hacia el espacio. Lo mismo que en una máquina térmica convencional, el intercambio de calor entre un cuerpo caliente y otro frío permite utilizar una parte de la energía para generar movimiento mecánico, en la atmósfera una cantidad de la energía que circula se convierte en energía cinética que mueve las masas de aire de un lado a otro manteniendo la circulación atmosférica. La analogía con un motor térmico se ha aplicado con éxito para explicar el comportamiento de fenómenos adversos locales o regionales como los huracanes o los remolinos pero nunca se había intentado adquirir una visión de todo el globo terrestre. Cuando se estudia el comportamiento de un motor térmico cualquiera, es de vital importancia conocer su eficiencia, es decir su capacidad para transformar la energía térmica en mecánica. Lógicamente, existen limitaciones para la eficiencia de un motor térmico como demostró el físico e ingeniero francés Nicolas Léonard Sadi Carnot a principios del siglo XIX, en ningún caso puede convertirse la totalidad de la energía térmica en mecánica, siempre habrá una pérdida de energía que será liberada al ambiente.

Aunque la atmósfera funcione como un motor térmico, se trata de un motor que no es muy eficiente. Si se contabiliza la energía de los movimientos de las masas de aire de la atmósfera en su conjunto, este trabajo viene a ser aproximadamente la mitad del esperado en un motor térmico equivalente. ¿A qué se debe la diferencia? El investigador de la Universidad de Toronto, F. Laliberté, y su equipo han estudiado el rendimiento del motor térmico terrestre y han llegado a la conclusión de que la causa la baja eficiencia puede ser debida al ciclo hidrológico terrestre.

Una parte de la energía solar incidente se emplea en la evaporación del agua, un vapor que impregna el aire y alimenta el ciclo hidrólógico del planeta. Este ciclo reduce la producción de energía cinética de las masas de aire de dos maneras. La primera se debe a las gotas de agua, los cristales de hielo y copos de nieve que se crean en muchos lugares. Estas partículas generan pequeñísimas fricciones entre las masas de aire que disipan parte de la energía. Medidas tomadas por satélite indican que la energía disipada por este medio podría ser alrededor del 12 por ciento de la disponible. En segundo lugar, el agua que se evapora y pasa a humedecer el aire sin llegar a saturarlo, es decir sin que se produzca un exceso que acabe condensándose en las gotas y cristales de hielo que forman las masas nubosas, también reduce el rendimiento del motor térmico comparado con la situación ideal planteada por Carnot. De esta manera, la humedad que alimenta el ciclo hidrológico condiciona en buena medida el rendimiento del motor térmico global.

Estos resultados indican que en una situación de cambio climático provocada por el aumento del calentamiento global por efecto invernadero, los fenómenos meteorológicos de gran potencia como las tormentas, tornado o huracanes pueden ser más virulentos localmente pero no serán tan frecuentes como se había calculado. El ciclo hidrológico puede mitigar en buena medida los efectos más dramáticos del calentamiento global. Mitigar no significa que los efectos catastróficos desaparezcan o se mantengan como hasta ahora, a buen seguro que aumentarán pero no tanto como se temía.

Caminos cerebrales para buscar comida y comer.

La última noticia de la que hablamos hoy se refiere a cómo la región cerebral llamada hipotálamo lateral controla comportamientos tan importantes para la supervivencia como la búsqueda y consumo de alimentos. El hipotálamo es una pequeña región cerebral situada en la parte inferior central del cerebro de todos los vertebrados, cerca de la glándula hormonal llamada hipófisis. El hipotálamo es así un puente entre el sistema nervioso y el endocrino, ya que tanto él mismo como la hipófisis controlan la secreción de importantes hormonas por parte de las glándulas que las producen, como el páncreas, las glándulas adrenales o el tiroides.

La región lateral del hipotálamo es la que ha sido confirmada como la principal reguladora de la conducta de búsqueda y consumo de alimentos, la cual necesita de la actividad regulada y coordinada de muchas neuronas. La manera en que esta coordinación tiene lugar es desconocida, pero conocerla puede tener importantes implicaciones para comprender el desarrollo y generar tratamientos de desórdenes obsesivos, como la anorexia o la bulimia.

Para averiguar más sobre la función del hipotálamo lateral, científicos de la Universidad de Carolina del Norte, en Chapel Hill, EE.UU. utilizan la técnica denominada optogenética en ratones de laboratorio. La optogenética es una novedosa técnica de biología molecular que hace posible utilizar la luz para estimular neuronas que han sido modificadas genéticamente de modo que sean sensibles a la misma. Es una técnica neuromoduladora que combina conocimientos de óptica y biología molecular, capaz de estimular o inhibir neuronas de manera individual, lo que la convierte en una herramienta importantísima para estudiar la función de neuronas individuales y circuitos neuronales concretos, lo que puede estudiarse incluso en animales vivos.

Un componente esencial de esta técnica son proteínas sensibles a la luz, de las que existen varias, basadas en la rodopsina, una proteína fotorreceptora de las plantas que controla la fototaxis. Existen también proteínas capaces de emitir luz en respuesta a cambios químicos en su entorno, como por ejemplo a los cambios en la concentración de iones calcio, que pueden entrar o salir de las neuronas en el proceso de la neurotransmisión, el cual depende del paso de iones a través de la membrana.

Las proteínas sensibles a la luz o emisoras de la misma son introducidas en neuronas específicas mediante la generación de animales transgénicos diseñados de modo que esas proteínas solo se expresen, es decir, estén producidas por neuronas específicas y no por otras células del cerebro o del cuerpo. Para lograr esta hazaña es necesario un conocimiento muy profundo sobre las características genéticas de las neuronas que pretendemos estudiar y lo que las diferencia de las otras. Este conocimiento es el que va a permitir utilizar los genes específicos de esas neuronas para que controlen la producción de la proteína sensible a o emisora de luz solo en esas neuronas, y no en otras, de un animal vivo. Es además necesario utilizar técnicas que permiten introducir virus genéticamente modificados con las proteínas optogénicas en las regiones del cerebro que pretendemos estudiar.

Utilizando esta tecnología, en estudios anteriores se había podido demostrar que excitando con luz las neuronas del hipotálamo lateral de ratones optogénicos estos cambiaban su comportamiento y eran inducidos a buscar alimento o a consumirlo. Sin embargo, estos estudios no indicaban cómo las neuronas funcionan en un estado normal, inducidas por cambios fisiológicos internos y no por una luz externa, para regular esos comportamientos. Para averiguarlo, era necesario visualizar a las neuronas funcionando mientras los animales buscaban o consumían alimento. Y esto es lo que han conseguido ahora los investigadores.

Utilizando las técnicas de optogenética y un nuevo microscopio cerebral, de solo una pulgada que los animales pueden llevar encima mientras buscan alimento o comen, los investigadores son capaces de visualizar la actividad dinámica de cientos de neuronas del hipotálamo lateral, todas las cuales responden frente al neurotransmisor GABA (por lo que se denominan GABAérgicas) y, por tanto, son idénticas desde este punto de vista. Los investigadores descubren así el sorprendente hecho de que cuando el animal busca alimento es un conjunto de neuronas GABAérgicas el que se activa, pero cuando lo consume son otras neuronas GABAérgicas diferentes las que lo hacen. Así, parece que dos comportamientos tan finamente regulados y, al mismo tiempo, tan íntimamente relacionados entre sí, parecen estar bajo el control de dos poblaciones de neuronas diferentes del hipotálamo.

El descubrimiento tiene implicaciones para el desarrollo de tratamientos contra trastornos alimenticios, que idealmente deberían ir dirigidos bien a regular la actividad de las neuronas que generan la motivación de buscarlo, bien a las que controlan la pulsión de consumirlo, pero no ambas a la vez. Serán necesarios años de continuados estudios para conseguirlo (3).

REFERENCIAS

(1). Self-Organization of Polarized Cerebellar Tissue in 3D Culture of Human Pluripotent Stem Cells. Muguruma et al., 2015, Cell Reports 10, 1–14 February 3, 2015. http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2014.12.051.

(2) “Constrained work output of the moist atmospheric heat engine in a warming climate,” by F. Laliberté et al., 2015, Science, January 29, 2015 http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.1257103

(3). Visualizing Hypothalamic Network Dynamics for Appetitive and Consummatory Behaviors. Joshua H. Jennings et al. Cell 160, 1–12, January 29, 2015. http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.12.026

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