El mapeo del cerebro humano replantea las funciones del cerebro completo

Los nuevos mapas topográficos funcionales del cerebelo humano podrían cambiar el juego.

Fuente: Cortesía de Viking Adult

Mi difunto padre, Richard Bergland, MD (1932-2007) publicó The Fabric of Mind en 1986. Para la portada del libro, papá insistió en una vista en plano sagital; le gustó cómo este punto de vista aclara las principales regiones del cerebro dentro del llamado “globo craneal”. Muchas personas piensan erróneamente que nuestro “cerebro” es únicamente el hemisferio cerebral izquierdo y derecho. Por lo tanto, mi padre siempre estaba ansioso por poner el cerebelo a menudo olvidado y sus funciones cerebelosas en el centro de atención. La vista sagital facilita la visualización de dónde encaja el “pequeño cerebro” en un marco más grande como parte de la estructura del cerebro completo.

Debido a que el cerebelo ha sido conocido por coordinar el tiempo y la precisión de los movimientos musculares fluidos, fue importante para mí posicionar las funciones motoras cerebelosas como un jugador central cuando escribí mi primer libro sobre la optimización de la mentalidad atlética y el rendimiento deportivo. Por suerte, mi padre ya se había retirado y tenía el tiempo para ayudarme a crear un modelo original de cerebro dividido dirigido a los atletas. (Para más información, consulte “El cerebro dividido: una hipótesis en constante cambio”)

• Cómo podemos aprender a dejar de tomar cosas personalmente
• ¿Está usted persiguiendo los objetivos correctos?
• 5 maneras en que la baja confianza en sí mismo puede causar egoísmo
• ¿Qué hace que algo sea bello?
• ¿Buscas afinidad en familias o te gusto?

En la introducción a The Athlete’s Way: Sweat and the Biology of Bliss (2007), doy algunos antecedentes sobre la génesis de este modelo de cerebro dividido:

“Debo mi exitosa carrera como atleta de resistencia a mi comprensión de la psicología y la neurofisiología, pero no soy un científico. Soy un atleta. Aunque no he tenido una formación formal en ciencias, crecí con la neurociencia ya que mi padre es neurocirujano e investigador neurocientífico. Cuando estaba creciendo, la neurociencia era un tema constante de conversación, y las discusiones con mi padre han continuado a lo largo de los años. El modo del atleta se basa en la hipótesis de que los humanos tienen dos cerebros: un cerebro atlético con sentimientos y emociones llamado el cerebelo (latín para “cerebro pequeño”), y un cerebro humano de pensamiento y razonamiento llamado el cerebro (latín para “cerebro”). Mi padre y yo nos referimos a este modelo de cerebro como “cerebro con cerebro hacia arriba”. El cerebro hacia arriba es el cerebro, basado en su posición al norte de la mitad del cerebro, que está a medio camino entre los dos cerebros. El cerebelo es el cerebro hacia abajo, el hemisferio sur en el globo craneal, por su posición al sur de la mitad del cerebro. Los nombres simples “cerebro cerebro abajo” pueden sonar gramaticalmente incorrectos, pero son una respuesta directa y convincente al modelo de cerebro dividido de la década de 1970 de “cerebro izquierdo-derecho”. Acuñé los nuevos nombres en las primeras conversaciones con mi padre sobre el diferencias entre el cerebro y el cerebelo, y me gusta la nueva terminología por su simplicidad “.

Cuando describí la paginación de mi manuscrito, le pedí al diseñador de libros de St. Martin’s Press que dedicara una página completa al mapa cerebral de cerebros-cerebelos (abajo) desde una vista sagital para que los lectores generales pudieran visualizar el “piso de arriba-abajo” Arquitectura de todo el cerebro. Esta porción de cerebro provino del laboratorio de investigación de mi padre y reflejó hasta cierto punto la portada del libro The Fabric of Mind .

• ¿Es la acusación de agresión sexual de Kavanaugh un falso recuerdo?
• ¿Puede fantasear con el amor alguna vez ser suficiente?
• Entendiendo las metáforas en tus sueños
• El fruto del dolor, las dificultades y la decepción es la empatía
• Construyendo una cultura de matones

Este mapa cerebral ilustra las encarnaciones más tempranas del “Modelo de cerebro dividido de Bergland” y describe varias funciones hipotéticas que cada región cerebral podría desempeñar dentro de un sistema de corteza cerebeloso-cerebro interconectado. (De la página 81 de “El camino del atleta: el sudor y la biología de la felicidad”).

Fuente: Foto y diseño por Christopher Bergland (Circa 2007)

En retrospectiva, mi mapa cerebral (arriba) es vergonzosamente hipotético y torpe. Pero, sus inexactitudes y generalizaciones tienen un propósito histórico como parte de una línea de tiempo: la razón por la que lo comparto con usted aquí es para ilustrar por qué estoy tan emocionado por el diseño elegante y los impresionantes detalles de los últimos mapas humanos de cerebelo creados. por Xavier Guell en el MIT junto con Jeremy Schmahmann en el Hospital General de Massachusetts de Harvard, Catherine Stoodley en la American University y sus colegas.

Dicho esto, antes de sumergirme en la neurociencia de los últimos mapas del cerebelo, hay una historia narrativa en primera persona y un mapa del cerebro hecho en casa que quiero compartir con ustedes como parte de una línea de tiempo que pone en contexto su trabajo pionero.

Después de que mi padre muriera en 2007, hice una promesa de que mantendría mi antena para cualquier nueva investigación cerebelosa y haría todo lo posible por resolver el enigma que planteaba al decir: “No sabemos exactamente lo que el cerebelo está haciendo. Pero, sea lo que sea que esté haciendo, está haciendo mucho de eso “.

Como no formo parte de la academia y no pertenezco a una comunidad científica, la mayoría de mis ideas novedosas sobre el cerebelo se basan en observaciones anecdóticas y experiencias de vida combinadas con un montón de evidencias empíricas. Una de estas observaciones clave fue el vínculo entre las actividades motoras bípedas y el pensamiento creativo. Por ejemplo, Albert Einstein dijo famoso sobre E = mc²: “Pensé en eso mientras montaba mi bicicleta”. Además, innumerables escritores y pensadores visionarios a lo largo de la historia han hecho de los paseos diarios una parte integral de su proceso creativo. En mi mente, siempre parecía que el cerebelo debía estar involucrado de alguna manera en el fenómeno de la actividad motora que facilita el pensamiento divergente y la eureka. momentos

Como triatleta que se convirtió en escritora después de retirarme de la competencia deportiva en la mediana edad, sabía por experiencia propia que correr, andar en bicicleta y nadar me ayudaron a procesar el lenguaje con mayor fluidez. Cuando estaba trabajando, las oraciones y varias combinaciones de palabras de todo lo que escribía como borrador, ese día parecían convertirse en conciencia consciente como un diagrama de flujo. Además, siempre que estaba soñando despierto durante el ejercicio aeróbico, me encontré conectando los puntos de ideas aparentemente no relacionadas de una manera que no sucedía cuando estaba sentado en mi escritorio y no participaba en ninguna forma de moderada a vigorosa. actividad física. (Para más información, vea “La neurociencia de la imaginación”).

Un día, en 2009 (con todas estas ideas sobre un posible vínculo entre la función cerebelosa y los “orígenes de la imaginación” flotando en mi cabeza), me topé con una amiga poeta llamada María en la calle. Durante nuestra conversación sobre el misterioso vínculo entre los avances creativos y las tareas motoras bípedas, ella dijo: “Cada vez que comienzo a mover mis brazos y piernas en el entrenador elíptico, la poesía sale de mí”. De repente, en milisegundos, María pronunció esas palabras. , Tuve un ” aha! El momento y visualizó un mapa cerebral que mostraba simultáneamente los dos hemisferios del cerebro y los dos hemisferios del cerebelo desde la vista de un pájaro aplastados en un plano. Entonces, me apresuré a casa y dibujé el mapa que ves abajo tan rápido como pude. Aunque esta no es una vista sagital, hizo posible que el espectador vea simultáneamente los dos hemisferios del cerebro y los dos hemisferios del cerebelo como parte de nuestra arquitectura cerebral completa. (Para más información, consulte: “Los circuitos cerebrales y cerebrales nos recuerdan: saber no es suficiente”).

Este mapa topográfico del cerebro del circuito “cerebro-cerebeloso” ilustra la importancia de optimizar la conectividad funcional contralateral entre ambos hemisferios cerebrales y ambos hemisferios cerebelosos.

Fuente: Foto e ilustración de Christopher Bergland (Circa 2009)

La esencia del mapa de todo el cerebro anterior se inspiró en mi hipótesis basada en la experiencia de que los pensamientos y las ideas pueden ser superpuestos en las redes de conectividad funcional de los circuitos de retroalimentación y retroalimentación entre los cuatro hemisferios cerebrales durante las actividades motoras aeróbicas.

Aunque dibujé este mapa en 2009, ignoraba por completo que, al mismo tiempo, Jeremy Schmahmann y Catherine Stoodley acababan de publicar lo que se convertiría en un artículo emblemático, “Topografía funcional en el cerebelo humano: un metaanálisis de neuroimagen”. Estudios ”(2009), que fue seguido en 2010 por su artículo“ Evidencia para la organización topográfica en el cerebelo del control motor frente al procesamiento cognitivo y afectivo ”.

A través de la lente de los mapas innovadores del cerebelo humano, los últimos meses han sido potencialmente devastadores. Primero, el “Manual de Neurología Clínica” (volumen 154, tercera serie) más reciente incluye el mapeo del cerebelo de Stoodley y Schmahmann: “Capítulo cuatro: Topografía funcional del cerebelo humano”, que se publicó en línea el 11 de junio de 2018.

Los autores resumen la importancia de estos mapas cerebrales en el resumen del estudio: “La evidencia acumulada apunta a un papel crítico para el cerebelo humano en las conductas motoras y no motoras. Un principio básico de esta nueva comprensión de la función cerebelosa es la existencia de subregiones funcionales dentro del cerebelo que apoyan diferencialmente las conductas motoras, cognitivas y afectivas. La existencia de una topografía funcional y de conexión cerebelosa proporciona el sustrato anatómico crítico para un papel cerebeloso en las funciones motoras y no motoras. “También establece un marco para interpretar los patrones de activación cerebelosa, los resultados cognitivos y conductuales después del daño cerebeloso y las diferencias estructurales y funcionales del cerebelo informadas en una variedad de trastornos del neurodesarrollo y neuropsiquiátricos”.

Leyenda de la foto de @MIINDLinkFound en Twitter el 10 de julio de 2018: “Nuevo volumen sobre el cerebelo de los colegas Mario Manto (Bélgica) y Thierry Huisman (Baltimore). Gran alineación de capítulos. Es bueno volver a escribir con la ex doctora Catherine Stoodley (American University) sobre la topografía funcional del cerebelo “.

Fuente: Captura de pantalla de Christopher Bergland (Imagen de @MINDlinkFound del Capítulo 4 en “El Manual de Neurología Clínica”, Volumen 154, Serie 3)

Otro hito reciente en la línea de tiempo del mapeo del cerebelo es la publicación de un artículo de Xavier Guell, John Gabrieli y Jeremy Schmahmann, “Representación triple del lenguaje, la memoria de trabajo, el procesamiento social y de las emociones en el cerebelo: evidencia convergente de la tarea y la semilla. Análisis de fMRI basados ​​en el estado de reposo en una sola cohorte grande. ”Este artículo fue la portada de la edición de mayo de 2018 de NeuroImage que se muestra a continuación.

Los autores resumen la importancia de este artículo en el resumen del estudio: “De acuerdo con los estudios anteriores, hubo dos representaciones distintas de la activación motora. Recientemente se revelaron tres representaciones distintas cada una para el procesamiento de tareas de memoria de trabajo, lenguaje, sociales y emocionales que se separaron en gran medida para estos cuatro dominios cognitivos y afectivos. En la mayoría de los casos, las activaciones basadas en tareas y las correspondientes correlaciones de la red de descanso fueron congruentes en la identificación de las dos representaciones motoras y las tres representaciones no motoras que eran exclusivas de la memoria de trabajo, el lenguaje, la cognición social y la emoción “.

En la portada de NeuroImage de mayo de 2018, se presentó un mapa del cerebro del cerebelo realizado por Xavier Guell y sus colegas.

Fuente: NeuroImage / Elsevier (Volumen 172, 15 de mayo de 2018)

En un artículo del MIT News de julio de 2018, “Charting the Cerebellum”, el primer autor Xavier Guell del McGovern Institute of Brain Research de MIT, describe el mapeo de su equipo de las funciones motoras y no motoras en el cerebelo, “Neurocientíficos En las décadas de 1940 y 1950, se describió una doble representación de la función motora en el cerebelo, lo que significa que dos regiones en cada hemisferio del cerebelo están involucradas en el control motor. Que hay dos áreas de representación motora en el cerebelo sigue siendo uno de los hechos más bien establecidos de la fisiología de la macroescala del cerebelo. Nuestro estudio apoya la idea intrigante de que mientras dos partes del cerebelo se ocupan simultáneamente en tareas motoras, otras tres partes del cerebelo se involucran simultáneamente en tareas no motoras. Nuestros predecesores acuñaron el término “doble representación motora”, y es posible que ahora tengamos que agregar “representación triple no motora” al diccionario de la neurociencia cerebelosa “.

Guell participó en otro estudio reciente que destaca cómo la conectividad funcional interrumpida entre el cerebelo y el cerebro puede estar vinculada a trastornos del espectro autista de alto funcionamiento. Esta investigación fue dirigida por Sheeba Arnold Anteraper (también del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro en el MIT) y publicada en línea antes de la impresión el 31 de julio de 2018, en la revista Brain Connectivity .

Anteraper et al. explique la importancia de esta investigación en la conclusión del artículo: “La descripción de las anomalías de conectividad funcional informadas en este estudio utilizando análisis de datos de todo el cerebro tiene el potencial de avanzar de manera crucial en el desarrollo de biomarcadores de TEA, objetivos para intervenciones terapéuticas y neurológicos. predictores para medir la respuesta al tratamiento “.

Además, los autores dijeron: “Los resultados de este estudio respaldan la participación del cerebelo en el TEA y, por lo tanto, sugieren una posición potencialmente relevante de” Dismetría del pensamiento “como marco conceptual para estudios futuros que investigan la naturaleza de la sintomatología del TEA en psiquiatría. Esta teoría sostiene que los síntomas motores, cognitivos y afectivos que surgen de anormalidades cerebelosas son un reflejo de una disfunción neurológica singular. A nivel fisiológico, Dismetría del pensamiento se basa en el concepto de una Transformada Cerebelosa Universal, que plantea la hipótesis de que un solo proceso neurológico respeta la modulación cerebelosa del movimiento, el pensamiento y la emoción (Schmahmann, 1991, 1996; Schmahmann, 2010); Véase también una revisión reciente en Güell et al. (2018a) “.

Por último, como la entrada final y más reciente en esta línea de tiempo, el 14 de agosto de 2018, un equipo colaborador de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts y el Hospital General de Massachusetts, Escuela de Medicina de Harvard (que incluyó a Xavier Güell, Jeremy Schmahmann, John Gabrieli y Satrajit Ghosh) publicó un artículo, “Gradientes funcionales de Cerebellum: Un principio fundamental del movimiento al pensamiento”.

Nuevamente, Güell et al. señalan la importancia de su nueva hipótesis radical de “triple representación no motora”: “Este es el primer estudio que investiga la organización jerárquica y progresiva del cerebelo. En contraste con la organización jerárquica primaria, unimodal, transmodal, fundamental y bien establecida en la corteza cerebral (Mesulam, 1998, 2008), el eje principal de la organización motora y no motora del cerebelo sigue siendo desconocido. Describimos por primera vez que las regiones funcionales del cerebelo siguen una organización gradual que progresa de las regiones primarias (motoras) a las transmodales (DMN, no enfocadas en la tarea). Además, la relación entre los dos gradientes principales y las dos áreas de representación motoras y no motrices reveló por primera vez que existen diferencias funcionales no solo entre las dos áreas motoras sino también entre las tres áreas de representación no motora. Una hipótesis novedosa inicial sobre la naturaleza de estas diferencias se genera al observar que el procesamiento sin motor en los lóbulos IX / X (tercera representación sin motor) podría compartir similitudes funcionales con el procesamiento del motor en el lóbulo VIII (segunda representación motora) “.

Para terminar, a continuación se muestran dos de los últimos mapas del cerebelo de Guell et al. (2018) con gradientes funcionales. En mi opinión, la información contenida en estos mapas cambia nuestra visión del mundo de las funciones de todo el cerebro de una manera que podría mejorar la vida y ayudar a las personas de todas las profesiones a optimizar su potencial.

Figura uno

Gradientes de cerebelo y relación con mapas de actividad de tareas discretas (de Guell et al., 2018a) y mapas de estado de reposo (de Buckner et al., 2011)

Fuente: Xavier Guell et al./eLife 2018 (Creative Commons)

Figura dos

Gradiente 1 extendido desde la tarea de lenguaje / DMN a las regiones motoras. Gradiente 2 áreas de red de trabajo / memoria frontoparietal aisladas. (A) Atlas de mapa plano de cerebelo y gradientes 1 y 2. (B) Un diagrama de dispersión de los dos primeros gradientes. Cada punto corresponde a un vóxel cerebeloso, la posición de cada punto a lo largo de los ejes x e y corresponde a la posición a lo largo del Gradiente 1 y Gradiente 2 para ese vóxel cerebeloso, y el color del punto corresponde a la actividad de la tarea (arriba) o red en estado de reposo (abajo) ) asociado con ese voxel particular.

Fuente: Xavier Guell et al./eLife 2018 (Creative Commons)

Referencias

Catherine J. Stoodley y Jeremy D. Schmahmann. “Topografía funcional en el cerebelo humano: un metanálisis de los estudios de neuroimagen”. NeuroImage (Publicado por primera vez en enero de 2009) DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2008.08.039

Catherine J. Stoodley y Jeremy D. Schmahmann. “Evidencia de organización topográfica en el cerebelo del control motor frente al procesamiento cognitivo y afectivo”. Cortex (Publicado por primera vez en enero de 2010) DOI: 10.1016 / j.cortex.2009.11.008

Randy L. Buckner, Fenna M. Krienen, Angela Castellanos, Julio C. Díaz y BT Thomas Yeo. “La organización del cerebelo humano estimada por la conectividad funcional intrínseca”. Journal of Neurophysiology (Primera publicación: 1 de noviembre de 2011) DOI: 10.1152 / jn.00339.2011

Catherine J. Stoodley y Jeremy D. Schmahmann. “Capítulo 4 – Topografía funcional del cerebelo humano”. Manual de neurología clínica (Primero disponible en línea: 11 de junio de 2018) DOI: 10.1016 / B978-0-444-63956-1.00004-7

Xavier Guell, John Gabrieli y Jeremy Schmahmann. “Representación triple del lenguaje, la memoria de trabajo, el procesamiento social y emocional en el cerebelo: evidencia convergente de los análisis de fMRI basados ​​en semillas y en el estado de reposo basado en semillas en una sola cohorte grande”. NeuroImage (Publicado por primera vez en línea: 2 de febrero de 2018) DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2018.01.082

Sheeba Arnold Anteraper, Xavier Guell, Anila D’Mello, Neha Joshi, Susan Whitfield-Gabrieli y Gagan Joshi. “Conectividad funcional intrínseca cerebrocerebelosa interrumpida en adultos jóvenes con trastorno del espectro autista de alto funcionamiento: un estudio de imágenes de resonancia magnética funcional de alta resolución temporal, impulsado por datos, con cerebro completo y resolución temporal”. Conectividad cerebral (Primera publicación en línea: 31 de julio de 2018) DOI : 10.1089 / brain.2018.0581

Xavier Guell, Jeremy D. Schmahmann, John DE Gabrieli, Satrajit S. Ghosh. “Gradientes funcionales del cerebelo”. ELife (Publicado por primera vez el 14 de agosto de 2018) DOI: 10.7554 / eLife.36652