Neurociencia conductual

Neurociencia del comportamiento, también conocida como psicología biológica, biopsicología o psicobiología, es la aplicación de la principios de la biología para el estudio de los mecanismos fisiológicos, genéticos y de desarrollo del comportamiento en humanos y otros animales.

Historia

La neurociencia conductual como disciplina científica surgió de una variedad de tradiciones científicas y filosóficas en los siglos XVIII y XIX. René Descartes propuso modelos físicos para explicar el comportamiento tanto animal como humano. Descartes sugirió que la glándula pineal, una estructura no apareada en la línea media del cerebro de muchos organismos, era el punto de contacto entre la mente y el cuerpo. Descartes también elaboró una teoría según la cual la neumática de los fluidos corporales podría explicar los reflejos y otros comportamientos motores. Esta teoría se inspiró en estatuas en movimiento en un jardín de París.

Otros filósofos también contribuyeron al nacimiento de la psicología. Uno de los primeros libros de texto en este nuevo campo, Los principios de la psicología de William James, sostiene que el estudio científico de la psicología debe basarse en una comprensión de la biología.

El surgimiento de la psicología y la neurociencia conductual como ciencias legítimas se remonta al surgimiento de la fisiología a partir de la anatomía, particularmente la neuroanatomía. Los fisiólogos realizaron experimentos con organismos vivos, una práctica de la que los anatomistas dominantes de los siglos XVIII y XIX desconfiaban. El influyente trabajo de Claude Bernard, Charles Bell y William Harvey ayudó a convencer a la comunidad científica de que se podían obtener datos fiables de sujetos vivos.

Incluso antes de los siglos XVIII y XIX, la neurociencia conductual comenzaba a tomar forma ya en el año 1700 a.C. La pregunta que parece surgir continuamente es: ¿cuál es la conexión entre la mente y el cuerpo? El debate se conoce formalmente como el problema mente-cuerpo. Hay dos escuelas de pensamiento principales que intentan resolver el problema mente-cuerpo; Monismo y dualismo. Platón y Aristóteles son dos de los varios filósofos que participaron en este debate. Platón creía que el cerebro era el lugar donde ocurrían todos los pensamientos y procesos mentales. Por el contrario, Aristóteles creía que el cerebro cumplía la función de enfriar las emociones derivadas del corazón. El problema mente-cuerpo fue un trampolín hacia el intento de comprender la conexión entre la mente y el cuerpo.

Surgió otro debate sobre la localización de la función o la especialización funcional versus la equipotencialidad, que jugó un papel importante en el desarrollo de la neurociencia conductual. Como resultado de la localización de la investigación de funciones, muchas personas famosas del mundo de la psicología han llegado a diferentes conclusiones. Wilder Penfield pudo desarrollar un mapa de la corteza cerebral estudiando a pacientes epilépticos junto con Rassmussen. La investigación sobre la localización de funciones ha llevado a los neurocientíficos del comportamiento a comprender mejor qué partes del cerebro controlan el comportamiento. Esto se ejemplifica mejor a través del estudio de caso de Phineas Gage.

El término "psicobiología" ha sido utilizado en una variedad de contextos, enfatizando la importancia de la biología, que es la disciplina que estudia las modificaciones orgánicas, neuronales y celulares en el comportamiento, la plasticidad en la neurociencia y las enfermedades biológicas en todos los aspectos, además, la biología enfoca y analiza el comportamiento y todos los temas que le interesan, desde un punto de vista científico. En este contexto, la psicología ayuda como disciplina complementaria, pero importante, de las ciencias neurobiológicas. El papel de la psicología en estas cuestiones es el de herramienta social que respalda la ciencia biológica principal o más fuerte. El término "psicobiología" Fue utilizado por primera vez en su sentido moderno por Knight Dunlap en su libro An Outline of Psychobiology (1914). Dunlap también fue el fundador y editor en jefe de la revista Psychobiology. En el anuncio de esa revista, Dunlap escribe que la revista publicará una investigación "...relacionada con la interconexión de las funciones mentales y fisiológicas", que describe el campo de la neurociencia conductual incluso en su sentido moderno.

Relación con otros campos de la psicología y la biología

En muchos casos, los humanos pueden servir como sujetos experimentales en experimentos de neurociencia conductual; sin embargo, gran parte de la literatura experimental en neurociencia conductual proviene del estudio de especies no humanas, con mayor frecuencia ratas, ratones y monos. Como resultado, una suposición crítica en la neurociencia del comportamiento es que los organismos comparten similitudes biológicas y de comportamiento, suficientes para permitir extrapolaciones entre especies. Esto une estrechamente la neurociencia del comportamiento con la psicología comparada, la etología, la biología evolutiva y la neurobiología. La neurociencia conductual también tiene similitudes paradigmáticas y metodológicas con la neuropsicología, que se basa en gran medida en el estudio del comportamiento de humanos con disfunción del sistema nervioso (es decir, una manipulación biológica no experimental). Los sinónimos de neurociencia conductual incluyen biopsicología, psicología biológica y psicobiología. La psicología fisiológica es un subcampo de la neurociencia conductual, con una definición apropiadamente más estricta.

Métodos de investigación

La característica distintiva de un experimento de neurociencia conductual es que la variable independiente del experimento es biológica o alguna variable dependiente es biológica. En otras palabras, se altera permanente o temporalmente el sistema nervioso del organismo en estudio, o se mide algún aspecto del sistema nervioso (normalmente para estar relacionado con una variable conductual).

Deshabilitar o disminuir la función neuronal

• Las lesiones – Un método clásico en el que una lista de interés cerebral es natural o intencionalmente destruida para observar cualquier cambio resultante como el rendimiento degradado o mejorado en alguna medida conductual. Las lesiones se pueden colocar con una precisión relativamente alta "Gracias a una variedad de 'alases cerebrales' que proporcionan un mapa de regiones cerebrales en coordenadas estereotácticas tridimensionales.

  

  • Cirugía lesiones – El tejido neuronal se destruye mediante la extirpación quirúrgica.
  • Electrolítica lesiones – El tejido neuronal se destruye a través de la aplicación de traumatismo eléctrico.
  • Productos químicos lesiones – El tejido neuronal es destruido por la infusión de una neurotoxina.
  • Personal temporario Lesiones – El tejido neuronal está temporalmente desactivado por el enfriamiento o por el uso de anestesias como la tetrodotoxina.
• Estimulación magnética transcraneal – Una nueva técnica utilizada generalmente con sujetos humanos en los que una bobina magnética aplicada al cuero cabelludo provoca actividad eléctrica no sistemática en neuronas corticales cercanas que se pueden analizar experimentalmente como lesión funcional.
• Inyección de ligando sintético – Un receptor activado únicamente por un ligando sintético (RASSL) o Receptor Diseñador Exclusivamente Activado por Medicamentos Diseñadores (DREADD), permite el control espacial y temporal de la señalización de proteína G in vivo. Estos sistemas utilizan receptores de proteína G (GPCR) diseñados para responder exclusivamente a ligands de moléculas pequeñas sintéticas, como el óxido N de clozapina (CNO), y no a su ligand(s) natural. RASSL representa una herramienta química basada en GPCR. Estos ligandos sintéticos sobre la activación pueden disminuir la función neuronal por la activación G-proteína. Esto puede con actividad neural atenuante de potasio.
• Psychopharmacological manipulaciones – Un antagonista receptor químico induce la actividad neuronal interfiriendo con la neurotransmisión. Los antagonistas pueden ser entregados sistémicamente (como por inyección intravenosa) o localmente (intracerebrally) durante un procedimiento quirúrgico en los ventrículos o en estructuras cerebrales específicas. Por ejemplo, se ha demostrado que el AP5 antagonista de NMDA inhibe la iniciación de la potenciación a largo plazo de la transmisión sináptica excitatoria (en el condicionamiento del miedo roedores) que se cree un mecanismo vital en el aprendizaje y la memoria.
• Inhibición otogenética – Una proteína inhibidora activada por la luz se expresa en células de interés. La inhibición neuronal a escala miligresa potente es instigada a la estimulación por la frecuencia adecuada de la luz entregada a través de fibra óptica o LED implantados en el caso de los vertebrados, o a través de la iluminación externa para pequeños invertebrados suficientemente translúcidos. Las haorhodopsinas bacterianas o las bombas Proton son las dos clases de proteínas utilizadas para la optogenética inhibitoria, logrando la inhibición aumentando los niveles citoplasmáticos de los halidos (Cl⁻
  ) o disminuir la concentración citoplasmática de protones, respectivamente.

Mejora de la función neuronal

• Estimulación eléctrica – Un método clásico en el que la actividad neuronal se mejora mediante la aplicación de una pequeña corriente eléctrica (demasiado pequeña para causar muerte celular significativa).
• Manipulación psicofarmacéutica – Un agonista del receptor químico facilita la actividad neuronal mejorando o reemplazando neurotransmisores endógenos. Los agonistas pueden ser entregados sistémicamente (como por inyección intravenosa) o localmente (intracerebrally) durante un procedimiento quirúrgico.
• Inyección de ligando sintético – Igualmente, G_q-DREADDs se puede utilizar para modular la función celular mediante la inervación de regiones cerebrales como Hippocampus. Esta inervación resulta en la amplificación de γ-ritmos, que aumenta la actividad motora.
• Estimulación magnética transcraneal – En algunos casos (por ejemplo, estudios de corteza motora), esta técnica se puede analizar teniendo un efecto estimulante (más que como lesión funcional).
• excitación otogenética – Una proteína excitatoria activada por la luz se expresa en células selectas. Channelrhodopsin-2 (ChR2), un canal de cation activado por la luz, fue el primer opsin bacteriano que mostró excitar las neuronas en respuesta a la luz, aunque una serie de nuevas herramientas excitatorias optogenéticas ahora se han generado mejorando e impartiendo propiedades novedosas a ChR2

Medición de la actividad neuronal

• Técnicas ópticas – Los métodos ópticos para registrar la actividad neuronal dependen de métodos que modifiquen las propiedades ópticas de las neuronas en respuesta a los eventos celulares asociados con potenciales de acción o liberación de neurotransmisores.
  • Los tintes sensibles al voltaje (VSD) fueron uno de los primeros métodos para detectar ópticamente la actividad neuronal. VSDs comúnmente cambiaron sus propiedades fluorescentes en respuesta a un cambio de tensión a través de la membrana de la neurona, lo que hace que la actividad eléctrica sea detectable en la subtensión de la membrana y en la hipertensión. También se han desarrollado proteínas fluorescentes sensibles al voltaje genéticamente codificadas.
  • La imagen de calcio se basa en tintes o proteínas genéticamente codificadas que fluorescen sobre la unión al calcio que está transitoriamente presente durante un potencial de acción.
  • Synapto-pHluorin es una técnica que se basa en una proteína de fusión que combina una proteína de membrana vesical sináptica y una proteína fluorescente sensible al pH. Tras la liberación de vesícula sináptica, la proteína chimérica está expuesta al pH superior de la hendidura sináptica, causando un cambio mensurable en la fluorescencia.
• Grabación de una sola unidad – Un método por el que se introduce un electrodo en el cerebro de un animal vivo para detectar la actividad eléctrica que generan las neuronas adyacentes a la punta del electrodo. Normalmente esto se realiza con animales sedados, pero a veces se realiza en animales despiertos comprometidos en un evento conductual, como una rata sedienta que silba un grado específico de papel de lija previamente emparejado con agua para medir los patrones correspondientes de disparo neuronal en el punto de decisión.
• Grabación multielectroda – El uso de un paquete de electrodos finos para registrar la actividad simultánea de hasta cientos de neuronas.
• fMRI – Imágenes de resonancia magnética funcional, una técnica aplicada con más frecuencia en sujetos humanos, en la que se pueden detectar cambios en el flujo de sangre cerebral en un aparato de resonancia magnética y se toman para indicar la actividad relativa de las regiones cerebrales de mayor escala (es decir, en el orden de cientos de miles de neuronas).

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  PET - Positron Emission Tomography detecta partículas llamadas fotones usando un examen de medicina nuclear en 3D. Estas partículas son emitidas por inyecciones de radioisótopos como el flúor. Las imágenes de PET revelan los procesos patológicos que predicen los cambios anatómicos que lo hacen importante para detectar, diagnosticar y caracterizar muchas patologías
• Electroencefalografía – O EEG; y la técnica derivada de los potenciales relacionados con eventos, en la que los electrodos de cuero cabelludo controlan la actividad promedio de las neuronas en la corteza (de nuevo, utilizado con más frecuencia con sujetos humanos). Esta técnica utiliza diferentes tipos de electrodos para sistemas de grabación como electrodos de aguja y electrodos salinos. El EEG permite la investigación de trastornos mentales, trastornos del sueño y fisiología. Puede monitorear el desarrollo del cerebro y el compromiso cognitivo.
• Neuroanatomía funcional – Una contraparte más compleja de la fenología. La expresión de algún marcador anatómico se toma para reflejar la actividad neuronal. Por ejemplo, se piensa que la expresión de genes tempranos inmediatos es causada por una actividad neural vigorosa. Asimismo, la inyección de 2-desoxiglucosa antes de alguna tarea conductual puede ser seguida por localización anatómica de ese químico; es tomada por neuronas que son eléctricamente activas.
• MEG – Magnetoencephalography muestra el funcionamiento del cerebro humano a través de la medición de la actividad electromagnética. Medir los campos magnéticos creados por la corriente eléctrica que fluye dentro de las neuronas identifica la actividad cerebral asociada con diversas funciones humanas en tiempo real, con precisión espacial milímetro. Los clínicos no pueden obtener datos para ayudarles a evaluar los trastornos neurológicos y planificar tratamientos quirúrgicos.

Técnicas genéticas

• Cartografía QTL – La influencia de un gen en algún comportamiento puede inferirse estadísticamente estudiando cepas inbres de algunas especies, más comúnmente ratones. La secuencia reciente del genoma de muchas especies, sobre todo los ratones, ha facilitado esta técnica.
• Reproducción selectiva – Los organismos, a menudo ratones, pueden ser criados selectivamente entre cepas inbredas para crear una cepa congénica recombinante. Esto podría hacerse para aislar un tramo experimentalmente interesante de ADN derivado de una cepa en el genoma de fondo de otra cepa para permitir inferencias más fuertes sobre el papel de esa extensión de ADN.
• Ingeniería genética – El genoma también puede ser manipulado experimentalmente; por ejemplo, los ratones nocivos pueden ser diseñados para carecer de un gen particular, o un gen puede ser expresado en una cepa que normalmente no lo hace (el 'transgénico'). Las técnicas avanzadas también pueden permitir que la expresión o supresión de un gen ocurra por inyección de algún producto químico regulador.

Comportamiento de medición

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  Estimación de pose sin marca – El avance de las técnicas de visión informática en los últimos años ha permitido cuantificaciones precisas de movimientos animales sin necesidad de ajustar marcadores físicos sobre el tema. En video de alta velocidad capturado en un ensayo conductual, los puntos clave del sujeto pueden ser extraídos marco por marco, que a menudo es útil para analizar en tándem con grabaciones/manipulación neuronales. Los análisis se pueden realizar sobre cómo los puntos clave (es decir, partes del animal) se mueven dentro de diferentes fases de un comportamiento particular (a corto plazo), a lo largo del repertorio conductual de un animal (tiempo menor). Estos cambios de punto clave se pueden comparar con los cambios correspondientes en la actividad neuronal.

Otros métodos de investigación

Modelos computacionales: uso de una computadora para formular problemas del mundo real y desarrollar soluciones. Aunque este método suele estar enfocado a la informática, ha comenzado a avanzar hacia otras áreas de estudio. Por ejemplo, la psicología es una de estas áreas. Los modelos computacionales permiten a los investigadores en psicología mejorar su comprensión de las funciones y desarrollos del sistema nervioso. Ejemplos de métodos incluyen el modelado de neuronas, redes y sistemas cerebrales y el análisis teórico. Los métodos computacionales tienen una amplia variedad de funciones que incluyen aclarar experimentos, probar hipótesis y generar nuevos conocimientos. Estas técnicas desempeñan un papel cada vez más importante en el avance de la psicología biológica.

Limitaciones y ventajas

Las diferentes manipulaciones tienen ventajas y limitaciones. El tejido neuronal destruido como consecuencia principal de una cirugía, una descarga eléctrica o una neurotoxina pueden confundir los resultados de modo que el trauma físico enmascare cambios en los procesos neurofisiológicos fundamentales de interés. Por ejemplo, cuando se utiliza una sonda electrolítica para crear una lesión intencionada en una región distinta del cerebro de la rata, el tejido circundante puede verse afectado: por lo tanto, un cambio en el comportamiento exhibido por el grupo experimental después de la cirugía es hasta cierto punto el resultado del daño. al tejido neural circundante, en lugar de por una lesión de una región cerebral distinta. La mayoría de las técnicas de manipulación genética también se consideran permanentes. Se pueden lograr lesiones temporales con manipulaciones genéticas avanzadas; por ejemplo, ahora ciertos genes se pueden activar y desactivar con la dieta. Las manipulaciones farmacológicas también permiten el bloqueo temporal de ciertos neurotransmisores a medida que la función vuelve a su estado anterior después de que el fármaco ha sido metabolizado.

Zonas temáticas

En general, los neurocientíficos del comportamiento estudian temas y cuestiones similares a los de los psicólogos académicos, aunque limitados por la necesidad de utilizar animales no humanos. Como resultado, la mayor parte de la literatura en neurociencia conductual trata sobre procesos mentales y comportamientos que se comparten entre diferentes modelos animales, como:

• Sensación y percepción
• Comportamiento motivado (hambre, sed, sexo)
• Control del movimiento
• Aprender y memoria
• El sueño y los ritmos biológicos
• Emoción

Sin embargo, con la creciente sofisticación técnica y el desarrollo de métodos no invasivos más precisos que pueden aplicarse a sujetos humanos, los neurocientíficos del comportamiento están comenzando a contribuir a otras áreas temáticas clásicas de la psicología, la filosofía y la lingüística, como por ejemplo:

• Idioma
• Razonamiento y adopción de decisiones
• Conciencia

La neurociencia del comportamiento también ha tenido una sólida historia de contribución a la comprensión de los trastornos médicos, incluidos aquellos que caen bajo el ámbito de la psicología clínica y la psicopatología biológica (también conocida como psicología anormal). Aunque no existen modelos animales para todas las enfermedades mentales, el campo ha aportado datos terapéuticos importantes sobre una variedad de afecciones, que incluyen:

• La enfermedad de Parkinson, un trastorno degenerativo del sistema nervioso central que a menudo perjudica las habilidades motoras y el habla.
• La enfermedad de Huntington, un raro trastorno neurológico hereditario cuyos síntomas más obvios son movimientos corporales anormales y falta de coordinación. También afecta una serie de capacidades mentales y algunos aspectos de la personalidad.
• La enfermedad de Alzheimer, una enfermedad neurodegenerativa que, en su forma más común, se encuentra en personas mayores de 65 años y se caracteriza por deterioro cognitivo progresivo, junto con actividades decrecientes de la vida diaria y por síntomas neuropsiquiátricos o cambios conductuales.
• Depresión clínica, trastorno psiquiátrico común, caracterizado por una disminución persistente del estado de ánimo, pérdida de interés en las actividades habituales y menor capacidad para experimentar placer.
• Esquizofrenia, un diagnóstico psiquiátrico que describe una enfermedad mental caracterizada por deficiencias en la percepción o expresión de la realidad, más comúnmente manifestándose como alucinaciones auditivas, delirios paranoicos o extraños o discursos y pensamientos desorganizados en el contexto de disfunción social o ocupacional significativa.
• Autismo, trastorno del desarrollo del cerebro que perjudica la interacción social y la comunicación, y causa un comportamiento restringido y repetitivo, todo empezando antes de que un niño tenga tres años.
• Ansiedad, un estado fisiológico caracterizado por componentes cognitivos, somáticos, emocionales y conductuales. Estos componentes se combinan para crear los sentimientos que normalmente se reconocen como miedo, aprensión o preocupación.
• Uso indebido de drogas, incluido el alcoholismo.

Premios

Premios Nobel

Los siguientes ganadores del Premio Nobel podrían considerarse razonablemente neurocientíficos o neurobiólogos del comportamiento. (Esta lista omite a los ganadores que eran casi exclusivamente neuroanatomistas o neurofisiólogos; es decir, aquellos que no midieron variables conductuales o neurobiológicas).

Premio Kavli en Neurociencia

• Ann Graybiel (1942)
• Cornelia Bargmann (1961)
• Winfried Denk (1957)