Laboratório de Neurofisiologia e Neuroetologia Experimental

Laboratório de Neurofisiologia e Neuroetologia Experimental

Universidade de São Paulo
Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto
Departamento de Fisiologia
Laboratório de Neurofisiologia e Neuroetologia Experimental
Direção: Prof. Dr. Norberto Garcia-Cairasco
[email protected]
Artigo inicialmente publicado na Revista Salud UIS (Colômbia), 2002.
NEUROCIENCIAS INTEGRATIVAS EN LA ERA DE LA GENOMICA:
EPILEPSIA EXPERIMENTAL COMO MODELO Y
NEUROINFORMATICA COMO SOLUCION
Norberto Garcia-Cairasco
Resumen
Con el avance de las técnicas moleculares y celulares, en contraposición a las
herramientas más globales y de sistemas, una visión integrada de los estudios cerebrales y de
Neurociencia podría estar perjudicada. En nuestro laboratorio intentamos esta tarea de integración
en Neurociencia en los últimos 20 años usando como modelos de estudio las investigaciones
sobre la neurobiología de las epilepsias. Hay una multiplicidad de factores involucrados en estos
estudios y hay una multiplicidad de posibles abordajes, además del hecho de que esta información
se acumula de manera exponencial. Proponemos por lo tanto que una visión integrada deberá
contar con posibilidades técnicas de organización de esa información, además de hacer
disponibles bases de datos de manera universal, para que en proyectos transnacionales e
interdisciplinarios lleguemos a modelos más completos de los sistemas que la Neurociencia
estudia. Esta propuesta está contenida en el concepto de Neuroinformática.
Palabras claves
Neurociencia integrativa, epilepsia experimental, neuroinformática.
Abstract
Because of the advance of molecular and cellular techniques, in contrast to the more
conventional systems approach, integration on Neuroscience seems to be more difficult each day.
In our laboratory we have tried this Neuroscience integration over the last 20 years using as models
studies on the neurobiology of the epilepsies. Besides the multiplicity of factors involved in the
expression of these models and the multiplicity of possible approaches related to their execution,
the information related to them is exponentially accumulated. Thus, we propose that in order to get
this integrated view, we need available organizational tools, shared and accessible data banks in
transnational and interdisciplinary projects that consequently will bring better models of the system
that are studied in Neuroscience. This proposal is compatible whit the contemporary definition of
Neuroinformatics.
Key words
Integrative neuroscience, experimental epilepsy, neuroinformatics.
2
Desafíos
para
Contemporanea
la
Neurociencia
El camino para una visión integrada
en Neurociencias parece ser cada dia más
difícil al aumentar el contraste entre técnicas
fuertemente celulares y moleculares, y
visiones comportamentales o más globales o
de sistemas. Como resolver este dilema? No
es
nada
paradójico
observar
el
comportamiento, expresión de múltiples
sistemas que coordinadamente mantienen
los organismos vivos adaptados, al mismo
tiempo
que
detectar
los
eventos
microscópicos que hacen de las células y sus
entornos los elementos primordiales de la
vida. Otro detalle que complica una eventual
integración en Neurociencias es el hecho de
que la información que es producto de las
investigaciones neurales y cerebrales, se
acumula dia a dia, de manera exponencial. Si
además de los ejercicios específicos de
análisis no hacemos ejercicios de síntesis,
esa tarea de integração se hará, en un futuro
no muy distante, simplemente imposible.
Neurociencia y Genómica
Con el avance de las técnicas de
biología molecular también la Neurociencia
acumuló poderosas herramientas para
explicar mecanismos celulares de los
fenómenos neurales, lo que generó, entre
otras cosas, posibilidades terapéuticas de
enorme especificidad. Con la ejecución del
Proyecto del Genoma Humano, en proyectos
internacionales de cooperación, se mostró al
mundo lo que puede y debe ser hecho
cuando el objetivo mayor es la producción del
conocimiento, por encima de los intereses
menores, individuales o geográficos. La
disponibilidad que existe hoy de bases de
datos sobre esta área indica una filosofía que
ciertamente es determinante del futuro de la
Ciencia, de la Biología y la Neurociencia en
particular. Detalles sobre el Proyecto del
Genoma Humano pueden ser vistos en la
página Web correspondiente1.
Neurociencia
Epilepsias
y
el
Estudio
de
las
Apesar de que en muchos casos los
estudios de la Biología, y de las
Neurociencias en particular, se basen más en
las alteraciones y las patologías, que en la
propia Fisiología, del contraste entre estas
situaciones nacen los modelos de estudio
que a lo largo de los años marcaron la
historia de las Neurociencias. En nuestro
Laboratorio hemos venido estudiando en los
últimos 20 años uno de esos cuadros, el de
las epilepsias. Estas son entidades
sindrómicas, complejas, que se expresan de
manera genérica como procesos de
hiperexcitabilidad e hipersincronismo de
poblaciones neuronales2. De su estudio, en
proyectos multi-institucionales y multidisciplinarios, hemos derivado importantes
perspectivas, las macroscópicas, desde el
punto de vista de acompañamiento funcional,
por ejemplo através de evaluaciones
comportamentales y de electrencefalograma
(EEG) y las microscópicas, o de análisis
celulares y moleculares, como las que
evidencian la plasticidad tipica del cerebro
epiléptico. Lo más difícil, pero al mismo
tiempo lo más motivador de estos estudios
ha sido nuestro intento de integrar todos
estos resultados.
La evaluación comportamental de
convulsiones inducidas experimentalmente
ha sido hecha generalmente utilizándose
índices de severidad de las crises, tales
como la escala límbica de Racine3 , que
mide la expresión comportamental, de
severidad creciente, de crisis epilépticas
inducidas por estimulaçión química o elétrica
de estructuras que como la amígdala o el
hipocampo, hacen parte del clásico sistema
límbico. Ya el índice audiogénico de Jobe y
mide
la
expresión
también
cols4
comportamental, de severidad creciente, de
crises con origen primordial en áreas del
tronco encefálico (vea detalles en la
discusión que sigue). A pesar de que estos
dos índices son diseñados linealmente y
representan medidas, de cierta manera,
arbitrarias e incompletas del comportamiento
epiléptico, ellos son ampliamente utilizados
como un instrumento de medida, fácil de ser
correlacionado
con
características
electrofisiológicas y moleculares relacionadas
a la epileptogenicidad. Nuestra opinión es la
de que el análisis cuantitativo y no apenas
cualitativo
de
la
expresión
de
comportamientos epilépticos
se hace
necesario.
3
Las convulsiones audiogénicas (CA)
agudas, un modelo de convulsiones tónicoclónicas
generalizadas,
parecen
ser
reguladas en gran parte por circuitos del
tronco encefálico5,6, mientras que las CAs
crónicas, o el llamado kindling audiogénico
(KA)
presenta correlatos EEGráficos y
comportamentales de reclutamiento límbico7.
Con el objetivo de evidenciar interfases
operacionales, o sea puentes de conexión,
entre los correlatos comportamentales,
electrofisiológicos
y
moleculares
de
convulsiones
epilépticas,
nosotros
primeramente implementamos en nuestro
Laboratorio herramientas neuroetológicas8,
las
cuales
cuantifican
con
detalles
secuencias comportamentales de las CAs
utilizándose
el
programa
Ethomatic
desarrollado en nuestro Laboratorio8,9. De
esta manera, además de las escalas de
severidad
de
crisis,
mencionadas
inicialmente, podríamos en los protocolos de
interés, ejecutar evaluciones de secuencias
comportamentales asociadas por ejemplo a
momentos anteriores (control) y posteriores
(experimental) a tratamientos farmacológicos
y/o lesiones8,10,11,12,13,14. En segundo lugar
correlacionamos la actividad comportamental
(video) y el EEG, conjunto conocido como
Video-EEG, momento a momento, para
detectar posibles marcadores fenotípicos de
crises con un dado patrón de EEG15.
Utilizándose el modelo de KA nosotros
evaluamos cómo un circuito neural
epileptogénico originalmente dependiente del
tronco encefálico5 puede dirigir y reclutar, por
medio de estimulaciones repetidas auditivas,
circuitos límbicos15,16. En tercer lugar,
nosotros caracterizamos la correlación entre
secuencias comportamentales y alteraciones
funcionales de
larga
duración15,16 y
16,17,18
morfológicas
subsecuentes al KA.
Nuestro punto principal es que
aparentemente eventos distantes (por causa
de cinéticas diferentes), tales como
manifestaciones
comportamentales
epilépticas (segundos a minutos), actividad
ictal en el EEG y descargas neurales
(milesegundos
a
segundos),
cambios
anatómicos y moleculares de larga duración
(horas a días) pueden ser apropiadamente
correlacionados
si
nosotros
trazamos
interfaces
metodológicas
específicas.
Herramientas neuroetológicas aplicadas a
investigaciones con epilepsia parecen facilitar
la detección de circuitos neurales cuya
activación selectiva
puede generar
secuencias de comportamientos, mantenidos
por eventos permanentes (de memoria) los
que son fundamentales para la expresión de
los aspectos crónicos de las epilepsias5,8,16.
En las últimas décadas hemos
venido asistiendo a un enorme número de
polémicas con relación a la validez de
modelos experimentales de epilepsia, su
aplicación, dado su impacto en la clínica
neurológica, y su potencial para el desarrolo
racional
de
nuevos
principios
anticonvulsivantes
y
más
que
todo
antiepilépticos. Según Loscher y cols
(1998)19 son prácticamente inexistentes en
este momento drogas antiepilépticas y
muchas de las de uso más frecuente son
derivadas del aprovechamiento de eventos
fortuitos y no de dessarrollo planificado.
Pensamos que el uso combinado de
herramientas
neuroetológicas8,9
y
15
electrofisiologicas puede ser una estrategia
muy poderosa para el desarrollo racional de
nuevas sustancias con poder no sólo
anticonvulsivo, sino antiepiléptico. Además
de esto, con el avance de la técnicas
moleculares
nuestro
conocimiento
en
genética y mecanismos de acción de las
potenciales drogas antiepilépticas aumentó.
Sin embargo, el boom de la biología
molecular no puede hipertrofiar conceptos
específicos y hacer de ellos el factor más
importante para estos desarrollos. En otras
palabras, si bien es cierto que el
entendimiento
de
los
mecanismos
moleculares vino para mejorar nuestra
perspectiva de conocimento del tratamiento y
del pronóstico en epileptología, perder el
contexto clínico, comportamental, estructural
y EEGráfico, por ejemplo, sería un error
craso. Cuáles son las perspectivas para el
futuro en esta área del conocimiento y cuáles
fueron los caminos de las últimas décadas
puede ser verificado en el reciente volumen
sobre Mecanismos Básicos de las Epilepsias
de Jasper, en la tradicional Advances in
Neurology. Recomiendo por lo menos el
primer capítulo de Delgado-Escueta y cols20,
los editores del volumen especial de esta
publicación, que trata de las nuevas
tendencias de la investigación en las
epilepsias al cruzar el tercer milenio.
4
Neurociencia
Neuroinformática
Integrativa
y
No solo en el caso de las epilepsias
sino en el de las Neurociencias en general,
por tratarse de un conjunto de informaciones
que no sólo son recogidas como producto de
múltiplos abordajes, sino que se acumulan,
como
fué
mencionado,
de
manera
exponencial, es necesario que sistemas
altamente
organizados
puedan
ser
implementados
para
permitir
su
aprovechamiento y análisis. Un poco de la
ansiedad que genera este hecho lo reflejé en
un artículo reciente que denominé Fisiologia
Integrativa en la Era de la Genómica21 .
Podríamos adaptarlo a Neurociencias
Integrativas en la Era de la Genómica. El
mensaje principal contenido en ese artículo
continuaría siendo el mismo, o sea, el de que
integración multidisciplinar y transdisciplinar
son las herramientas necesarias para nuestra
construcción de modelos lo más aproximados
posibles de los sistemas que la Fisiologia y
en este caso la Neurociencia estudia.
Este principio de integración, llevó a
Edward Wilson a rescatar el concepto
antiguo de Consiliencia o necesidad de una
Unidad del Conocimiento. En su más reciente
libro Consilience22 este autor, famoso por sus
escritos sobre Sociobiología, menciona que
sería prácticamente imposible para el futuro
del hombre poder hablar de Neurociencias, o
de cualquier segmento de las ciencias, con
propriedad, sino es manteniendo coherencia
con las visiones humanistas, artísticas y
filosóficas, uniendo las ciencias naturales con
las exactas y las humanas. Otro ejercicio
preliminar en ese sentido hice al escribir
también el texto El Cerebro y las Artes
Visuales23. Comenté en esa ocasión el hecho
de que los modelos de cerebro que
acompañaron al hombre, sea médico,
biólogo, científico em general, o artista
plástico, fueron cambiando conforme el
mismo hombre tuvo herramientas cada vez
más sofisticadas, para su estudio. Sin
embargo, la visión del artista, contenida en el
hombre, en muchos casos dió mayores
contribuciones que médicos o científicos, aún
en las épocas, como las del Renacimiento,
cuando había dificultad obvia de tener
disponible material biológico para estudios de
anatomía. En otros casos, la unión de artistas
plásticos con médicos generó obras primas
como las producidas por Da Vinci, Vesalius o
Albinus23. En la Figura 1 obra del autor de
esta revisión aparece un dibujo hecho con
herramientas
digitales
y
denominado
Neuroinmersión. Sugiere esta ilustración, un
tanto surrealista, nuestra busca por
conocimiento en lo que denominé las aguas
desconocidas neuronales o cerebrales. Es
una invitación para la investigación integrada
en Neurociencias.
Figura 1. Neuroinmersión. Dibujo realizado
usando paleta y lapicero digital (WACOM)
además de los programas Painter 5.0 y Poser 2.0
de la empresa Metacreations.
Un problema práctico de esta visión
es el de cómo procesar la información, que
como dijimos anteriormente, se acumula de
manera incontrolable. De esa necesidad de
crear mecanismos de tratamiento de esa
informacion, junto con la propuesta de una
consiliencia en las ciencias, surgió en los
últimos
años
la
definición
de
Neuroinformática. En reciente encuentro
patrocinado por la Academia de Ciencias de
Nueva York, Damasio y cols24 hacen eco a la
pionera proposición de Wilson, generando el
Simposio Unidad del Conocimiento. La
Convergencia de las Ciencias Naturales y
Humanas. De la misma manera, varios
eventos han fortalecido en los últimos años
ese concepto de Neuroinformática. Huerta y
Matthiessen25 editaron un volumen especial
sobre Neuroinformática de la revista
Neuroimage, donde proponen mecanismos
para la ejecución de proyectos para la
consolidación de modelos, métodos, bases
de datos, filosofías de trabajo para hacer la
Neurociencia sobrevivir, como entidad
integrada e integradora. De la misma manera
Gorin y cols26 discuten sobre los desafíos y
beneficios asociados a la integración en
5
Neurociencias. Con el advenimiento de la
genómica y más recientemente de la
proteómica, más que nunca la Bioinformática
y la Neuroinformática serán necesarias.
Información adicional sobre Neuroinformática
se encuentra detallada en publicación y
página Web del equipo del Human Brain
Project26,27. En conclusión, para estudiar
epilepsia, alteraciones neuromusculares,
Parkinsonismo o problemas de humor o
mentales, el desafío para ejercicios concretos
de síntesis en Neurociencias está lanzado.
Agradecimientos
A los miembros del Laboratório de
Neurofisiología y Neuroetolgia Experimental
de la FMRP-USP, por permitirme que
ejercitemos diariamente nociones teóricas y
prácticas de integración en Neurociencias. A
FAPESP, PRONEX, PADCT, CAPES, CNPq
y FAEPA por su apoyo financiero. A la Dra.
Cássia Maria Liserre Leone por la traducción
de una versión preliminar del capítulo sobre
integración en el estudio de las epilepsias
publicada en IBRO NEWS (1996).
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