Sistemas Sensoriales/Introducción

Para subsistir, el ser humano tiene que tomar decisiones constantemente:

"¿Cruzo la carretera ahora?"
"¿Me doy la vuelta y corro para escapar del animal que tengo delante?"
"¿Me como esto que tengo delante de mí?"
"¿O intento reproducirme con ello?"

Para tomar la decisión correcta a tiempo hemos elaborado una serie de sistemas complejos interconectados: un sistema sensorial para darnos cuenta de lo que está sucediendo en torno a nosotros y un sistema nervioso para procesar toda esa información. Estos sistemas son extraordinariamente grandes y complejos. Nuestro sistema nervioso contiene unas $10^{11}$ células nerviosas (llamadas neuronas) y entre 10-50 veces esa cantidad de células adicionales que le dan soporte (llamadas células gliales). Estas incluyen entre otras a los oligodendrocitos, las células de Schwann y los astrocitos. Toda esta complejidad nos lleva a la siguiente pregunta: ¿son realmente necesarias todas estas células?

Las Criaturas más Simples: los Organismos Unicelulares

En la introducción nos preguntábamos si de verdad son necesarias muchas células para vivir. La respuesta resulta ser "¡No!". Existen seres vivos compuestos por una sola célula que pueden ser sorprendentemente grandes e inteligentes, e incluso pueden responder a distintos estímulos!

Los monotálamos son los organismos unicelulares más grandes que conoce la humanidad y su diámetro puede llegar a medir 20cm!

El paramecio es capaz de responder a estímulos lumínicos y táctiles.

Normalmente, cuando pensamos en una célula, pensamos en algo realmente pequeño. Pero hay un organismo unicelular que puede tener un diámetro de hasta 20 centímetros: los ¡Monotálamos! (ver imagen). Estos seres unicelulares se pueden encontrar en diversos océanos y son los seres vivos unicelulares más grandes que se conocen.

Aún estando formados tan sólo por una célula, estos organismos pueden responder a un gran número de estímulos. Tomemos como ejemplo el caso de los paramecios, de la familia Parameciae. Los paramecios son un grupo de protistas ciliados con forma ovalada. Aunque constan únicamente de una célula, estos seres son capaces de reaccionar a distintos estímulos, como por ejemplo a la luz o al tacto.

Y lo más sorprendente es que estos organismos unicelulares pueden ser realmente inteligentes como el Physarum polycephalum, a menudo denominado moho de muchas cabezas. Esta gran célula, cuya forma recuerda a la de una ameba, está formada por una red de drenaje de estructuras cilíndricas. Esta criatura unicelular es capaz de conectar fuentes de corriente encontrando la distancia mínima entre ellas (Nakagaki et al. 2000), y puede incluso formar estructuras de redes robustas y optimizadas que recuerdan a la red de Metro de Tokyo (Pero et al. 2010). Por si esto no fuese suficientemente sorprendente, estos organismos también poseen la habilidad de reconocer si ya han estado en un sitio o no. De esta forma pueden ahorrar energía evitando buscar en lugares por los que ya ha pasado (Reid et al. 2012).

Por un lado, el método que utilizan los paramecios no puede ser tan malo, ya que llevan existiendo una gran cantidad de años. Por otro lado, obviamente un ser unicelular no puede ser tan flexible y preciso a la hora de responder a estímulos de su alrededor como una versión más refinada de éste. Esta versión posee un sistema especializado en la detección de estímulos del medio ambiente: el sistema sensorial.

Criaturas no tan Simples: Trescientas Dos Neuronas

Mientras que los humanos tenemos millones de neuronas sensoriales y alrededor de $10^{11}$ células nerviosas, otras criaturas se las apañan con bastante menos. Una de ellas es la 'Caenorhabditis elegans', un nematodo que posee un total de 302 neuronas.

El C. Elegans es uno de los organismos más simples con sistema nervioso y fue el primer organismo multicelular cuyo genoma fue secuenciado (La secuencia fue publicada en 1998). Y no sólo conocemos su genoma al completo, sino que también conocemos la conectividad entre sus 302 neuronas. De hecho, hasta la especificación celular de cada célula somática ha podido ser determinada (959 en el hermafrodita adulto; 1031 en el macho adulto). Sabemos, por ejemplo, que solamente 2 de sus 302 neuronas son responsables del proceso de quimiotaxis (proceso por el que organismos dirigen sus movimientos de acuerdo con la concentración de ciertas sustancias químicas en su medio ambiente, por ejemplo el olfato). Sin embargo, aún quedan muchos interrogantes por resolver y hoy en día existe mucha investigación en torno a este organismo y específicamente en torno a su sistema olfativo. El objetivo es llegar a comprender el funcionamiento de su sistema nervioso.

Principios Generales de los Sistemas Sensoriales

Basándonos en el ejemplo del sistema visual, el principio general que rige nuestro sistema neurosensorial puede ser descrito como en el siguiente gráfico:

Todos los sistemas sensoriales están basados en los mismos principios:

Una Señal, por ejemplo un estímulo físico que proporciona informaciones de lo que nos rodea.
La Captación de esa señal, por ejemplo vía nuestro oído o vía la lente de uno de nuestros ojos.
La Transducción de dicho estímulo a una señal nerviosa.
El Procesamiento de esa información por parte de nuestro sistema nervioso.
Y la generación de una Acción correspondiente.

Nuestro sistema nervioso es capaz de ejecutar tareas complejas con una facilidad asombrosa, aún teniendo en cuenta que su fisiología limita la frecuencia máxima de las células nerviosas a 1kHz (lo que corresponde a más de un millón de veces más lento que un ordenador moderno).

La Transducción

El papel de nuestros "sentidos" es transducir la información relevante del mundo que nos rodea a un tipo de señal que pueda ser comprendida por las células que van a recibir esa señal: el "Sistema Nervioso". (El sistema sensorial es considerado a menudo parte del sistema nervioso. Aquí trataremos ambos de forma separada: la expresión Sistema Sensorial se referirá a la transducción de estímulos, y el Sistema Nervioso se referirá al procesamiento posterior de la señal.)

Aquí debemos tener en cuenta que nuestro sistema sensorial tiene que transducir tan sólo la información relevante. La función de nuestros sentidos no es mostrarnos todos lo que ocurre a nuestro alrededor, ya que mucha de esa información no es de interés para nosotros. En lugar de ello, su función es filtrar las partes relevantes de la información que nos rodea: señales electromagnéticas, señales químicas y señales mecánicas. Nuestros Sistemas Sensoriales transducen únicamente aquellas variables de nuestro entorno que (probablemente) son relevantes para nosotros. Nuestro Sistema Nervioso propaga dichas señales de forma que la respuesta que llevemos a cabo nos ayude a sobrevivir y a transmitir nuestros genes a las generaciones futuras.

Tipos de transductores sensoriales

Receptores Mecánicos
- Sistema de equilibrio (sistema vestibular)
- Oído (sistema auditivo)
- Presión:
  - De adaptación rápida (Corpúsculo de Meissner, Corpúsculos de Pacini) ? movimiento
  - De adaptación lenta (Discos de Merkel, Corpúsculos de Ruffini) ? forma Comentario: estas señales son de transferencia rápida
- Husos neuromusculares
- Órganos tendinosos de Golgi
- Receptores articulares
Receptores químicos
- Olfato (sistema olfativo)
- Gusto
Receptores lumínicos (sistema visual): por un lado existen los receptores responsables de la visión en una baja condición de luminosidad (bastones) y por otro existen tres receptores distintos responsables de la percepción de colores(conos).
Termoreceptores
- Receptores de calor, Corpúsculos de Ruffini (sensibilidad máxima a 45°C, señalan temperaturas de < 50°C)
- Receptores de frío, Corpúsculos de Krause (sensibilidad máxima a -25°C, señalan temperaturas de > 5°C)
- Comentario: El procesamiento de la información de estas señales es similar al procesamiento de señales ópticas de color y se basa en la actividad diferencial de dos sensores; estas señales son lentas
Electroreceptores: por ejemplo en el pico del ornitorrinco
Magnetoreceptores
Receptores de dolor (nociceptores): los receptores del dolor son también los responsables de hacernos sentir picor; estas señales son de transmisión lenta.

Neuronas

¿Qué distingue a las neuronas de otras células del cuerpo humano, como por ejemplo de las células hepáticas o de las células adiposas? Las neuronas son únicas debido a que:

pueden cambiar rápidamente entre dos estados (al igual que las células musculares);
pueden propagar este cambio en una dirección específica y a lo largo de distancias largas (cosa que las células musculares no son capaces de hacer);
y este cambio de estado puede ser enviado a otras neuronas de forma efectiva.

Mientras que existen más de 50 tipos diferentes de neuronas, todas ellas comparten la misma estructura:

Una estructura de recepción, a menudo denominada dendrita, dado que el area de recepción se extiende como las ramas de un árbol. La entrada puede venir de células sensoriales o de otra neuronas; puede venir de tan sólo una célula (por ejemplo la célula bipolar en la retina recibe como entrada la señal de un solo cono) o de hasta 150'000 otras neuronas (por ejemplo las células de Purkinje en el cerebelo); y por último, la señal de entrada puede ser positiva (señal excitatoria) o negativa (señal inhibitoria)

Una estructura de integración: el cuerpo celular (soma) se encarga de las labores necesarias para asegurar el correcto funcionamiento de la célula (generación de energía, evacuación de residuos, generación de sustancias químicas, etc.), de combinar las señales recibidas y de determinar cuando transmitir una señal en una dirección determinada.

Una estructura conductiva, el axon: en el momento en el que el cuerpo celular decide enviar una señal, un potencial de acción se propaga a lo largo del axón, distanciándose del cuerpo celular. Un potencial de acción es un cambio rápido en el estado de una neurona, cuya duración es de aproximadamente 1 mseg. Debemos tener en cuenta que la dirección de propagación está claramente definida, desde el cuerpo celular hasta la:

estructura de salida: La salida de la señal tiene lugar mediante el proceso conocido como sinapsis, que consiste en el contacto de una neurona a la siguiente en la cadena. Este contacto suele darse mediante la emisión de neurotransmisores (biomoléculas que hacen reaccionar a otras neuronas), que a su vez tienen el papel de señal de entrada en la siguiente neurona.

Principios de Procesamiento de Información en el Sistema Nervioso

Procesamiento en paralelo

Un principio importante en el procesamiento de las señales neuronales es el procesamiento en paralelo. Varias vías paralelas mantienen una “división del trabajo”, es decir que cada una se encarga de procesar aspectos funcionales diferentes del mismo estímulo sensorial. Esta característica es utilizada por el:

Sistema auditivo - indica la frecuencia
Sistema olfativo - indicar dulce o agrio
Sistema visual - indica la ubicación de una señal visual
Sistema vestibular - indica diferentes orientaciones y movimientos

Codificación de población

La información sensorial no se suele basar en la señal de tan solo una neurona. Normalmente se codifican las actividades conjuntas de un número de neuronas para interpretar un estímulo. Este principio de procesamiento no es únicamente utilizado por el sistema nervioso, sino que es utilizado por todos nuestros sistemas sensoriales.

Aprendizaje

La estructura de las conexiones entre las células nerviosas no es estática, sino que se modifica para adaptarse a las experiencias que hemos tenido. Pero debido a esta adaptación corremos riesgos:

- Si aprendemos demasiado lento no conseguiremos adaptarnos al cambio que sufre nuestro entorno. Un ejemplo es la "Paloma Migratoria", una especia de ave americana extinta. Durante el último siglo (y el anterior) este ave era cazada de forma masiva. Su error era el siguiente: cuando un ave recibía un disparo, el resto de palomas se daba la vuelta a mirar de dónde provenía el disparo, lo que provocaba que éstas también fueran abatidas. La moraleja es que si se aprende demasiado lento (por ejemplo a salir volando cuando han matado a un compañero), la especie no sobrevivirá.

- Por otro lado, tampoco debemos aprender demasiado rápido. Por ejemplo, la mariposa monarca es un insecto que migra. Pero dado que migran distancias tan largas, hacen falta varias generaciones de mariposas para llegar desde el punto de salida hasta el destino. En otras palabras, ninguna mariposa logra hacer todo el viaje. Sin embargo, su disposición genética les dice a dónde deben ir y cuando han llegado a su destino. Si aprendiesen más rápido no conservarían esta información tan necesaria en sus genes. A diferencia de otras células del cuerpo humano, las células nerviosas no son capaces de regenerarse en el cuerpo humano.