Neuroanatomía

En anatomía en general y en neuroanatomía en particular, se utilizan varios conjuntos de términos topográficos para indicar la orientación y la ubicación, que generalmente se refieren al eje del cuerpo o del cerebro. A menudo se asume erróneamente que el eje del SNC es más o menos recto, pero en realidad siempre presenta dos flexiones ventrales (flexiones cervical y cefálica) y una flexión dorsal (flexione pontina), todas ellas debidas al crecimiento diferencial durante la embriogénesis. Los pares de términos más utilizados en neuroanatomía son:

• Dorsal y ventral : Dorsal se refiere más o menos a la parte superior del cerebro, simbolizada por la placa del suelo, y ventral a la parte inferior. Estos términos se usaban originalmente para dorso y vientre del cuerpo; el vientre de la mayoría de los animales está orientado hacia el suelo; la postura erguida de los humanos sitúa la parte ventral en la parte anterior, mientras que la dorsal se vuelve posterior. El caso de la cabeza y el cerebro es peculiar, ya que el vientre no se extiende propiamente hacia la cabeza, a menos que consideremos la boca como una extensión del vientre. Por lo tanto, en el uso común, las partes del cerebro que se encuentran cerca de la base del cráneo, y a través de ella hasta la cavidad bucal, se denominan ventrales (es decir, en su parte inferior, como se definió anteriormente), mientras que las partes dorsales están más cerca de la bóveda craneal. La referencia a las placas del techo y del suelo del cerebro es menos propensa a confusiones y, además, permite tener en cuenta las flexiones axiales mencionadas anteriormente. Por lo tanto, en el cerebro, dorsal y ventral son términos relativos, cuyo significado exacto depende de la ubicación específica.
• Rostral y caudal : en anatomía general, rostral se refiere a la parte frontal del cuerpo (hacia la nariz, o rostrum en latín), y caudal se refiere al extremo posterior del cuerpo (hacia la cola; cauda en latín). La dimensión rostrocaudal del cerebro corresponde a su eje longitudinal, que atraviesa las flexiones citadas desde el extremo caudal de la médula espinal hasta un extremo rostral aproximadamente en el quiasma óptico. En el hombre erguido, los términos direccionales "superior" e "inferior" se refieren esencialmente a esta dimensión rostrocaudal, porque nuestros ejes corporal y cerebral están aproximadamente orientados verticalmente en la posición erguida. Sin embargo, todos los vertebrados desarrollan una marcada curvatura ventral en el tubo neural que aún es detectable en el sistema nervioso central adulto, conocida como flexión cefálica . Esta última curvatura dobla la parte rostral del SNC en un ángulo de 180 grados con respecto a la parte caudal, en la transición entre el prosencéfalo (eje que termina rostralmente en el quiasma óptico) y el tronco encefálico y la médula espinal (eje aproximadamente vertical, pero con pequeñas curvaturas adicionales en las flexuras pontina y cervical). Estos cambios de flexión en la dimensión axial resultan problemáticos al intentar describir la posición relativa y los planos de corte en el cerebro. Existe abundante bibliografía que ignora erróneamente las flexuras axiales y asume un eje cerebral relativamente recto.
• Medial y lateral : medial se refiere a estar cerca, o relativamente cerca, de la línea media (el término mediana indica una posición precisamente en la línea media). Lateral es lo opuesto (una posición más o menos alejada de la línea media).

Tenga en cuenta que dichos descriptores (dorsal/ventral, rostral/caudal; medial/lateral) son relativos en lugar de absolutos (por ejemplo, se puede decir que una estructura lateral se encuentra medial a otra que se encuentra aún más lateralmente).

En neuroanatomía, los términos comúnmente utilizados para los planos de orientación o de sección son "sagital", "transversal" o "coronal", y "axial" u "horizontal". En este caso, la situación es diferente para los animales que nadan, reptan o son cuadrúpedos (tendidos) que para el ser humano u otras especies erguidas, debido a la posición del eje. Debido a las flexiones axiales del cerebro, ningún plano de sección logra una serie de secciones completa en un plano seleccionado, ya que inevitablemente algunas secciones resultan oblicuas o incluso perpendiculares a este, al pasar por las flexiones. La experiencia permite discernir las porciones que resultan cortadas según se desea.

• Un plano medio sagital divide el cuerpo y el cerebro en dos mitades, izquierda y derecha. Las secciones sagitales, en general, son paralelas a este plano medio y se extienden a lo largo de la dimensión medial-lateral (véase la imagen superior). El término sagital se refiere etimológicamente a la sutura media entre los huesos parietales derecho e izquierdo del cráneo, conocida clásicamente como sutura sagital, debido a su forma que recuerda aproximadamente a una flecha por su confluencia con otras suturas ( sagita ; flecha en latín).
• Un plano de sección ortogonal al eje de cualquier forma alargada se considera, en principio, transversal (por ejemplo, una sección transversal de un dedo o de la columna vertebral); si no hay un eje de longitud, no hay forma de definir tales secciones, o hay infinitas posibilidades. Por lo tanto, las secciones transversales del cuerpo en los vertebrados son paralelas a las costillas, que son ortogonales a la columna vertebral, que representa el eje del cuerpo tanto en animales como en humanos. El cerebro también tiene un eje longitudinal intrínseco —el del tubo neural alargado primordial— que se vuelve en gran medida vertical con la postura erguida del hombre, de manera similar al eje del cuerpo, excepto en su extremo rostral, como se comentó anteriormente. Esto explica que las secciones transversales de la médula espinal sean aproximadamente paralelas a nuestras costillas, o al suelo. Sin embargo, esto solo es cierto para la médula espinal y el tronco encefálico, ya que el extremo del prosencéfalo del eje neural se curva como un arco durante la morfogénesis temprana hacia el hipotálamo quiasmático, donde termina; La orientación de las secciones transversales verdaderas cambia en consecuencia, dejando de ser paralelas a las costillas y al suelo para volverse perpendiculares a ellas. El desconocimiento de esta peculiaridad morfológica cerebral (presente en todos los cerebros de vertebrados sin excepción) ha provocado y sigue provocando muchos errores conceptuales sobre las partes del prosencéfalo. Reconociendo la singularidad de las secciones transversales rostrales, la tradición ha introducido un descriptor diferente para ellas: las secciones coronales . Las secciones coronales dividen el prosencéfalo de rostral (anterior) a caudal (posterior), formando una serie ortogonal (transversal) al eje de curvatura local. Este concepto no puede aplicarse de forma significativa al tronco encefálico ni a la médula espinal, ya que allí las secciones coronales se vuelven horizontales a la dimensión axial, siendo paralelas al eje. En cualquier caso, el concepto de secciones «coronales» es menos preciso que el de «transversales», puesto que a menudo se utilizan planos de sección coronal que no son verdaderamente ortogonales al extremo rostral del eje cerebral. El término está etimológicamente relacionado con la sutura coronal del cráneo y, por consiguiente, con la posición donde se usan las coronas (del latín corona, que significa corona). No está claro a qué tipo de corona se refería originalmente (quizás solo a una diadema), lo que lamentablemente genera ambigüedad en el plano de sección definido simplemente como coronal.
• El plano coronal que atraviesa la cabeza y el cerebro humanos se concibe actualmente como paralelo al rostro (el plano en el que se asienta la corona de un rey no es exactamente paralelo al rostro, y la extrapolación de este concepto a animales con menor desarrollo frontal que nosotros resulta obviamente aún más problemática, pero existe una referencia implícita a la sutura coronal del cráneo, que se forma entre los huesos frontal y temporal/parietal, creando una especie de configuración de diadema que es aproximadamente paralela al rostro). Por lo tanto, los planos de sección coronal se refieren esencialmente solo a la cabeza y el cerebro, donde la diadema tiene sentido, y no al cuello y el resto del cuerpo.
• Por definición, las secciones horizontales están alineadas (paralelas) con el horizonte. En animales que nadan, se arrastran o son cuadrúpedos, el eje corporal es horizontal y, por lo tanto, las secciones horizontales discurren a lo largo de la médula espinal, separando las partes ventrales de las dorsales. Las secciones horizontales son ortogonales a las secciones transversales y sagitales y, en teoría, son paralelas al eje longitudinal. Debido a la curvatura axial del cerebro (prosencéfalo), las verdaderas secciones horizontales en esa región son ortogonales a las secciones coronales (transversales) (al igual que el horizonte con respecto al rostro).

Según estas consideraciones, las tres direcciones del espacio están representadas precisamente por los planos sagital, transversal y horizontal, mientras que las secciones coronales pueden ser transversales, oblicuas u horizontales, dependiendo de cómo se relacionen con el eje cerebral y sus incurvaturas.

En los sistemas biológicos, la tinción es una técnica que se utiliza para realzar el contraste de ciertas características en las imágenes microscópicas.

La tinción de Nissl utiliza colorantes básicos de anilina para teñir intensamente los polirribosomas ácidos del retículo endoplasmático rugoso , que abunda en las neuronas. Esto permite a los investigadores distinguir entre diferentes tipos de células (como neuronas y glía ), así como la forma y el tamaño de las neuronas, en diversas regiones de la citoarquitectura del sistema nervioso .

La tinción clásica de Golgi utiliza dicromato de potasio y nitrato de plata para impregnar selectivamente con un precipitado de cromato de plata algunas células nerviosas (neuronas o glía, aunque, en principio, cualquier célula puede reaccionar de forma similar). Este procedimiento, denominado impregnación con cromato de plata, tiñe total o parcialmente los cuerpos celulares y las neuritas de algunas neuronas ( dendritas , axones ) en marrón y negro, lo que permite a los investigadores seguir sus recorridos hasta sus ramificaciones terminales más finas en un corte de tejido nervioso, gracias a la transparencia resultante de la falta de tinción en la mayoría de las células circundantes. Actualmente, el material impregnado con Golgi se ha adaptado para la visualización mediante microscopía electrónica de los elementos no teñidos que rodean las prolongaciones y los cuerpos celulares teñidos, lo que aumenta aún más su capacidad de resolución.

La histoquímica utiliza el conocimiento de las propiedades de reacción bioquímica de los componentes químicos del cerebro (incluidas, en particular, las enzimas) para aplicar métodos de reacción selectivos que permiten visualizar su ubicación en el cerebro y cualquier cambio funcional o patológico. Esto es especialmente relevante para las moléculas relacionadas con la producción y el metabolismo de los neurotransmisores, pero también se aplica a muchos otros campos, como la quimioarquitectura o la neuroanatomía química.

La inmunocitoquímica es un caso especial de histoquímica que utiliza anticuerpos selectivos contra diversos epítopos químicos del sistema nervioso para teñir selectivamente tipos celulares específicos, fascículos axonales, neuropilos, prolongaciones gliales o vasos sanguíneos, así como proteínas intracitoplasmáticas o intranucleares específicas y otras moléculas inmunogenéticas, como los neurotransmisores. Las proteínas de factores de transcripción inmunorreactivas revelan información genómica en términos de proteínas traducidas. Esto aumenta enormemente la capacidad de los investigadores para distinguir entre diferentes tipos celulares (como neuronas y glía ) en diversas regiones del sistema nervioso.

La hibridación in situ utiliza sondas de ARN sintéticas que se unen (hibridan) selectivamente a los transcritos de ARNm complementarios de los exones de ADN en el citoplasma, para visualizar la información genómica, es decir, distinguir la expresión génica activa, en términos de ARNm en lugar de proteínas. Esto permite la identificación histológica (in situ) de las células implicadas en la producción de moléculas codificadas genéticamente, que a menudo representan la diferenciación o rasgos funcionales, así como los límites moleculares que separan distintos dominios cerebrales o poblaciones celulares.

Mediante la expresión de cantidades variables de proteínas fluorescentes rojas, verdes y azules en el cerebro, el ratón mutante denominado " brainbow " permite la visualización combinatoria de muchos colores diferentes en las neuronas. Esto marca las neuronas con suficientes colores únicos como para que a menudo puedan distinguirse de sus vecinas mediante microscopía de fluorescencia , lo que permite a los investigadores mapear las conexiones locales o la disposición mutua (en mosaico) entre las neuronas.

La optogenética utiliza la expresión constitutiva y específica de sitios (normalmente en ratones) de marcadores bloqueados que pueden activarse selectivamente mediante la iluminación con un haz de luz. Esto permite a los investigadores estudiar la conectividad axonal en el sistema nervioso de una manera muy precisa.

La resonancia magnética se ha utilizado ampliamente para investigar la estructura y la función cerebral de forma no invasiva en sujetos humanos sanos. Un ejemplo importante es la resonancia magnética por tensor de difusión , que se basa en la difusión restringida del agua en el tejido para producir imágenes de los axones. En particular, el agua se mueve más rápidamente en la dirección alineada con los axones, lo que permite inferir su estructura.

Ciertos virus pueden replicarse en células cerebrales y cruzar sinapsis. Por lo tanto, los virus modificados para expresar marcadores (como proteínas fluorescentes) pueden usarse para rastrear la conectividad entre regiones cerebrales a través de múltiples sinapsis. ^{[ 12 ]} Dos virus trazadores que se replican y propagan transneuronalmente/transinápticamente son el virus del herpes simple tipo 1 (HSV) ^{[ 13 ]} y los rabdovirus . ^{[ 14 ]} El virus del herpes simple se usó para rastrear las conexiones entre el cerebro y el estómago, con el fin de examinar las áreas cerebrales involucradas en el procesamiento viscerosensorial. ^{[ 15 ]} Otro estudio inyectó el virus del herpes simple en el ojo, lo que permitió visualizar la vía óptica desde la retina hasta el sistema visual . ^{[ 16 ]} Un ejemplo de un virus trazador que se replica desde la sinapsis hasta el soma es el virus de la pseudorrabia . ^{[ 17 ]} Al usar virus de la pseudorrabia con diferentes reporteros fluorescentes, los modelos de infección dual pueden analizar la arquitectura sináptica compleja. ^{[ 18 ]}

Los métodos de transporte axonal emplean diversos colorantes (variantes de la peroxidasa de rábano picante, marcadores fluorescentes o radiactivos, lectinas, dextranos) que son absorbidos con mayor o menor avidez por las neuronas o sus prolongaciones. Estas moléculas se transportan selectivamente de forma anterógrada (desde el soma hasta las terminaciones axónicas) o retrógrada (desde las terminaciones axónicas al soma), lo que permite identificar las conexiones primarias y colaterales en el cerebro. Estos métodos fisiológicos (ya que se basan en las propiedades de células vivas e intactas) pueden combinarse con otros procedimientos y han reemplazado prácticamente a los métodos anteriores que estudiaban la degeneración de neuronas o axones lesionados. Las conexiones sinápticas detalladas pueden determinarse mediante microscopía electrónica correlativa.

La microscopía electrónica de secciones seriadas se ha desarrollado ampliamente para el estudio de sistemas nerviosos. Por ejemplo, la primera aplicación de la microscopía electrónica de barrido de bloques seriados se realizó en tejido cortical de roedores. ^{[ 19 ]} La reconstrucción de circuitos a partir de datos generados por este método de alto rendimiento es compleja, y el juego de ciencia ciudadana EyeWire se ha desarrollado para facilitar la investigación en este campo. No obstante, se han obtenido conectomas completos de algunos organismos modelo (véase más adelante).

Es un campo que utiliza diversas modalidades de imágenes y técnicas computacionales para modelar y cuantificar la dinámica espaciotemporal de las estructuras neuroanatómicas tanto en poblaciones normales como clínicas. ^{[ 20 ]}

El cerebro es pequeño y simple en algunas especies, como el gusano nematodo , donde el plan corporal es bastante simple: un tubo con una cavidad intestinal hueca que va desde la boca hasta el ano, y un cordón nervioso con un ensanchamiento (un ganglio ) para cada segmento corporal, con un ganglio especialmente grande en la parte frontal, llamado cerebro. El nematodo Caenorhabditis elegans ha sido estudiado debido a su importancia en genética. ^{[ 23 ]} A principios de la década de 1970, Sydney Brenner lo eligió como sistema modelo para estudiar la forma en que los genes controlan el desarrollo, incluido el desarrollo neuronal. Una ventaja de trabajar con este gusano es que el sistema nervioso del hermafrodita contiene exactamente 302 neuronas, siempre en los mismos lugares, haciendo conexiones sinápticas idénticas en cada gusano. ^{[ 24 ]} El equipo de Brenner cortó gusanos en miles de secciones ultrafinas y fotografió cada sección bajo un microscopio electrónico, luego comparó visualmente las fibras de sección a sección, para mapear cada neurona y sinapsis en todo el cuerpo, para obtener un conectoma completo del nematodo. ^{[ 25 ]}

La Drosophila melanogaster es un animal de experimentación muy popular porque se puede cultivar fácilmente en masa a partir de ejemplares silvestres, tiene un corto tiempo de generación y es fácil obtener animales mutantes.

Los artrópodos poseen un cerebro central con tres divisiones y grandes lóbulos ópticos detrás de cada ojo para el procesamiento visual. El cerebro de la mosca de la fruta contiene varios millones de sinapsis, en comparación con al menos 100 mil millones en el cerebro humano. Aproximadamente dos tercios del cerebro de la Drosophila están dedicados al procesamiento visual .

Thomas Hunt Morgan comenzó a trabajar con Drosophila en 1906, y este trabajo le valió el Premio Nobel de Medicina de 1933 por identificar los cromosomas como el vector de la herencia de los genes. Debido a la gran variedad de herramientas disponibles para estudiar la genética de Drosophila , esta ha sido un sujeto natural para estudiar el papel de los genes en el sistema nervioso. ^{[ 26 ]} El genoma fue secuenciado y publicado en 2000. Aproximadamente el 75% de los genes conocidos de enfermedades humanas tienen una contraparte reconocible en el genoma de las moscas de la fruta. Drosophila se está utilizando como modelo genético para varias enfermedades neurológicas humanas, incluidos los trastornos neurodegenerativos Parkinson, Huntington, ataxia espinocerebelosa y Alzheimer. A pesar de la gran distancia evolutiva entre insectos y mamíferos, muchos aspectos básicos de la neurogenética de Drosophila han resultado relevantes para los humanos. Por ejemplo, los primeros genes del reloj biológico se identificaron examinando mutantes de Drosophila que mostraban ciclos de actividad diaria alterados. ^{[ 27 ]}

En 2024, se obtuvo y publicó un conectoma completo del cerebro de una mosca de la fruta hembra adulta. ^{[ 28 ] [ 29 ]}