Phineas Gage y los sistemas top-down & bottom-up

La historia de Phineas Gage

Pocas personas son tan célebres en el mundillo de las neurociencias, que el ciudadano estadounidense Phineas Gage, nacido en 1823.  Este hombre sin embargo no escribió una sola línea sobre neurología, es mas no era médico, ni siquiera biólogo. Era en realidad un capataz, encargado de dirigir un grupo de trabajadores, dedicados a la construcción del ferrocarril en el noreste de los estados unidos. Su fama no se debió a lo que hizo ni a lo que escribió, sino a lo que le paso. Una tragedia en muchos sentidos, que acabo arruinando su vida, pero que tuvo repercusiones importantes en cuanto a la comprensión del funcionamiento del cerebro y de la mente, que se alargan hasta nuestros días.

                El 13 de Septiembre de 1848, Gage tenia 25 años cumplidos y seguía dedicándose a la construcción al frente de su cuadrilla. De acuerdo con Damasio (2006) para sus jefes era el hombre “mas eficiente y capaz a su servicio” lo cual dice mucho de sus cualidades personales. Lo era tanto que tenia a su cargo el preparar las detonaciones para volar las rocas que obstruían el tendido del ferrocarril. Su función consistía en perforar un hoyo en la piedra, que era luego rellenado con pólvora (altamente explosiva), se metía una mecha  para luego cubrir el resto del agujero con arena. Finalmente se apisonaba con una barra de hierro. Una tarea rutinaria, que el buen Phineas realizaba una y otra vez. Rutinaria pero peligrosa. Sin la arena la pólvora explotaría hacia afuera (no rompería la piedra) desperdiciando la explosión, pero peor aun, la fuerza de la deflagración haría un efecto cañón, impulsando a gran velocidad cualquier cosa que estuviese en dicho agujero.  Y terriblemente eso fue lo que paso aquella fatídica tarde. Gage había puesto la pólvora y la mecha, como tantas veces lo había hecho antes, luego se distrajo por un segundo, lo suficiente para perder la conciencia de que aun no había puesto la arena.  Al intentar apisonar con su barra (de hierro fundido, de un metro de longitud y cinco kilos de peso) esta pego con la roca, generando chispas, lo que hizo estallar la pólvora, lo que a su vez hizo salir disparada la dichosa barra, misma que le atravesó la cabeza, entrando por una de sus mejillas, destruyendo la órbita ocular (perdió el ojo izquierdo) y saliendo por la parte superior del cráneo. Hasta aquí parecería un caso más para los anales de la seguridad laboral (precaria) del siglo XIX.

Sin embargo, y aquí empieza lo asombroso, el joven y atlético capataz no murió por el impacto, sino que perdió por poco tiempo el sentido y pudo ser llevado consiente al hotel del pueblo a donde acude el medico local, el Dr John Harlow, quien seria en parte responsable de la celebridad del maltrecho lesionado, al documentar todo lo referente al accidente y su tratamiento. Es por ese medio que nos enteramos que Gage seguía consiente, caminaba y podía hablar coherentemente después de su accidente, también acudiremos al enérgico tratamiento que el medico instaurara para controlar la inevitable infección (con los medios de la época y sin antibióticos) hasta su completa recuperación 10 semanas después.  Bueno, casi completa, pues aunque no tenia mas secuelas físicas que la perdida de su ojo, a nivel de conducta habían ocurrido cambios radicales, pasando de ser cordial y amable, a irritable, irreverente, dado a los insultos sin capacidad de planificar a largo y mediano plazos.

En palabras de Harlow “Gage había dejado de ser Gage” (González Álvarez, 2012) lo cual fue una de las primeras descripciones del efecto de una lesión prefrontal en el cerebro. Esta lesión ha sido interpretada de diferentes maneras en la literatura. Para Antonio Damaso, por ejemplo, este caso es el punto de partida para pregonar la muerte del dualismo “mente-cerebro” en particular esa idea que pregonaba la inconexión entre las funciones mas refinadas (mas humanas) de la mente con la estructura y funcionamiento cerebral. Casi podría decirse que no hay nada de metafísico en la mente humana.

 Regresando a Gage, retomamos un escrito de su médico donde afirma “Se había destruido el equilibrio entre sus facultades intelectuales y sus inclinaciones animales” (Muci-Mendoza, 2007), lo cual sirve de puente para intentar explicar la impulsividad del desafortunado capataz desde un modelo neurofisiológico que intenta explicar a su vez la adicción.

Los sistemas “de abajo hacia arriba” ( bottom-up) y “de arriba hacia abajo”  (top-down )

                El fenómeno de las adicciones, como otras muchas enfermedades de la mente y la conducta, ha pasado por varias etapas de estudio y entendimiento, a la vez que generaba (y genera) en quien la padece un estigma y rechazo social fruto de una inadecuada comprensión del padecimiento.  Siendo por décadas explicada casi exclusivamente desde teorías psicológicas varias, es apenas en la primera década del siglo XXI que se empieza a contar con la evidencia de que la adicción es una enfermedad del cerebro  y se empiezan a mapear las regiones implicadas.

                En la actualidad existe un modelo neurocognitivo contemporáneo, el cual propone que la impulsividad y la adicción son el resultado de un desequilibrio entre el efecto de dos sistemas neuronales opuestos, el llamado sistema “de abajo hacia arriba” , evolutivamente mas antiguo y su contraparte el sistema “de arriba hacia abajo”, mas reciente. (Stevens et al., 2014) Estos términos hacen referencia a la dirección en que corren los impulsos nerviosos, desde estructuras cerebrales mas antiguas y primitivas (localizadas anatómicamente mas abajo en el cerebro) hacia estructuras mas nuevas localizadas en regiones mas nuevas evolutivamente hablando (y anatómicamente mas altas o cefálicas). Nos referiremos a ellos por sus nombres en ingles, usando  “bottom-up” para el sistema “de abajo hacia arriba” y “top-down” para el sistema “de arriba hacia abajo”.

                El primero, bottom-up, es un sistema neuronal relacionado con la impulsividad y la reactividad, e involucra áreas “bajas” del cerebro, estructuras “subcorticales”, primitivas evolutivamente hablando, como la amígdala y el circuito de recompensa del cerebro. Su función es promover la recompensa (el placer), asi como generar reacciones inmediatas a señales externas, sin tomar en cuenta las posibles consecuencias a largo plazo. Es pues el sistema que media las reacciones impulsivas, de “bote pronto”, sin valoración de consecuencias.

                El segundo sistema, el “top-down”, es un sistema reflexivo y ejecutivo, localizado anatómicamente en la corteza prefrontal. Cumple funciones de autocontrol como son el control cognitivo, la planeación y la atención.  Tiene un rol fundamental en la llamada capacidad para “retrasar la gratificación” donde una recompensa inmediata menor es rechazada para conseguir una recompensa mayor, mas tarde.

                Según este modelo, la interacción normal de  estos sistemas implicaría que el sistema “top-down” (de arriba hacia abajo) tiene la función de suprimir los impulsos del sistema “bottom-up” cuando estos son inadecuados, cuando implican pensamientos no deseados o permitiendo elegir la opción mas ventajosa, aunque no sea la inmediatamente disponible ( Muchos no pueden evitar ver en estos circuitos, la representación anatómica del superyó y el ello, pero ¿Tiene sentido intentar localizar anatómicamente el aparato psíquico? ).

                La historia de Pineas Gage y su repentino cambio conductual podría ser explicada desde este modelo por la destrucción del sistema “top-down” quedando a merced del “bottom-up” , que carecía de contrapeso. Eso explicaría también las decisiones irracionales e impulsivas de los pacientes adictos con respecto al consumo y la recaida, teniendo implicaciones en el tratamiento de la adicción al enfocarse este en una proceso de rehabilitación del balance entre ambos sistemas.

Referencias

Damasio, A. (2006). El error de Descartes (1st ed.). Barcelona: Crítica.

González Álvarez, J. (2012). Breve historia del cerebro (1st ed.). Barcelona: Crítica.

Muci-Mendoza, R. (2007). El accidente de Phineas Gage: Su legado a la neurobiología. Gaceta Médica De Caracas, 115(1).

Stevens, L., Verdejo-García, A., Goudriaan, A., Roeyers, H., Dom, G., & Vanderplasschen, W. (2014). Impulsivity as a vulnerability factor for poor addiction treatment outcomes: A review of neurocognitive findings among individuals with substance use disorders. Journal Of Substance Abuse Treatment, 47(1), 58-72.


Imagen de Phineas Gage con su barra, tomada de Wikkimedia Commons Sobre la base de fotografía de Jack y Beverly Wilgus del daguerrotipo originalmente de su colección, y ahora en el el Museo Anatómico Warren , Centro de Historia de la Medicina, Francis A. Biblioteca Countway de Medicina, Escuela de Medicina de Harvard. Bajo licencia: CC BY-SA 3.0

Fotografías del cráneo de Gage, tomadas de wikimedia commons,  del libro “A descriptive catalogue of the Warren Anatomical Museum, 1870”, obra declarada en dominio publico.

 

Neuroimagen y adicción

“El cuerpo del alcohólico es tan anormal como su mente”

(Alcohólicos anónimos, 1935)

“Creemos… que la acción del alcohol en estos alcohólicos crónicos es la manifestación de una alergia”

 (William Siikworth MD, 1935)

 “La adicción es una enfermedad del cerebro que se puede tratar “

(Nora D. Volkow, M.D., 2008)

Han pasado mas de 70 años desde que se dijeron las dos primeras frases, en la mitad inicial del siglo pasado. Pertenecen ambas, al libro que dio a conocer al mundo el programa de 12 pasos ideado por Bill W y que seria el punto de partida para conceptualizar a la adicción como un problema de salud y no un tema moral. Y es que desde la misma palabra (adicción) empieza el estigma.

Hagamos una mirada a “vuelo de pájaro” sobre la historia de la adicción (que no es lo mismo que la historia de la droga)  En los primeros años de la Roma clásica, antes de que venciera a Cartago, antes de que conquistara toda Grecia y Asia menor;  y mucho antes de que se volviera imperio, existían ciertas leyes bastante duras, que aplicaban para los ciudadanos de la entonces ciudad estado. Una de ellas hacia que, aquel que debiera y no pudiera pagar, seria atribuido a su acreedor. El hombre libre deudor, dejaba de serlo para ser posesión del acreedor.  (Hay del deudor si tenia varios acreedores, pues podía ser despedazado para entregarlo por partes a los mismos…)  Entonces se volvía un addictus quien debía trabajar para su nuevo dueño. No duro demasiado esta ley y en épocas mas recientes (el Imperio) no existía ya la figura del addictus. Pero  el termino quedo, y paso nuestras lenguas romances, asociándolo a alguien que es incondicional a otro  y luego a algo. Sentencias como “Es muy adicto al rey” o ” Es un adicto a la música clásica” implicaban que voluntariamente una persona estaba vinculada a una persona o cosa. No tardo en decirse “es adicto a comer opio” o “es adicto a beber éter”.  Así el consumo era una elección, donde el carácter moral de las personas aparecía al seguir escogiendo el alcohol, el opio o el haschis  a pesar de las consecuencias negativas que habían vivido.  El texto de el Dr Silkworth en el libro “Alcohólicos Anónimos” resulta  el primer esfuerzo para entender el no control voluntario sobre la conducta de consumo. El buen médico especulaba, en los años 30 del siglo pasado, que era una alergia lo que hacia que este tipo de personas “no pudieran acercarse con seguridad al alcohol”.  En 2008, la Dra Nora Volkow afirmaba – y aun lo hace – que la adicción es una enfermedad del cerebro y al igual que otras enfermedades implica una falla en el funcionamiento normal del órgano.  ¿Cómo puede afirmarlo con tanta certeza?  Ella – y todos los que nos dedicamos al estudio de la adición – podemos ver las evidencias de este cambio en el funcionamiento mediante técnicas de neuroimagen.

La radiología apareció a finales de 1895, cuando Röntengen describió la capacidad de los rayos X para ver estructuras internas del cuerpo humano (en ese tiempo huesos), a través de la carne sin tocarla. (Patuzzi, 2012) Ver las estructuras blandas con igual detalle llevaría algo mas de tiempo, hasta los años 70 del siglo 20, cuando  Cormark & Honusfield  desarrollaron el primer prototipo de tomógrafo, con lo que se pudieron ver imágenes de las estructuras blandas del cuerpo, incluido el cerebro. Así nació la neuroimagen estructural que permite ver fotografías pasivas de el órgano y detectar anomalías en el mismo. El ultimo paso fue la aparición de la neuroimagen funcional, donde no solo se pueden ver estructuras, sino el funcionamiento de las mismas (al registrar los cambios del metabolismo, del volumen sanguíneo, de la acción de los fármacos sobre los receptores de las células nerviosas, etc). Y fue mediante estas técnicas que se logro la evidencia de donde y como esta fallando el funcionamiento cerebral. Dos técnicas importantes son:

– Resonancia Magnética Funcional. La resonancia magnética se basa en el principio de que los núcleos de los átomos pueden absorber y emitir energía al ser estimulados por una señal de radiofrecuencia, si se encuentran en un campo magnético intenso. Al poner a una persona en el centro de un campo magnético intenso (como los gigantescos electroimanes que componen los aparatos de RM) sus átomos se alinearan de acuerdo a dicho campo, al emitir una señal de radio frecuencia, dichos átomos  responderán absorbiendo la energía de las ondas de radio y al  regresar a su estado anterior emiten energía en forma de fotones, donde los diferentes tejidos (hueso, musculo, tejido nervioso, etc) responden de diferente maneras, que pueden ser leídas por una computadora, en base a lo cual esta construye una imagen de diferentes intensidades.  Esta imagen es estática. Sin embargo en los años noventa se descubrió el llamado “Efecto BOLD”  (por Blood Oxigenation Level Dependent) donde se observó que la sangre rica en oxígeno y la que carece de oxígeno,  genera cambios pequeños en la señal recibida por la computadora. Esto permite detectar cambios en el flujo sanguíneo del cerebro, al distinguir las concentraciones de oxihemoglobina y desoxihemoglobina, mientras se realiza una tarea o un proceso cognitivo

– Tomografía por emisión de positrones. Esta técnica usa antimateria. La antimateria no es un invento de la ciencia ficción, es muy real y su descubrimiento se lo debemos a Paul Dirac, quien la intuyo al estudiar una ecuación matemática, que tenia dos posibles resultados, uno positivo y otro negativo. Luego se comprobó experimentalmente su existencia. La antimateria es idéntica a la materia normal, salvo que sus partículas elementales tienen la carga eléctrica opuesta.    Si la materia y la antimateria se tocan… bueno se destruyen mutuamente generando rayos gamma (un tipo de luz invisible a la vista pero de altísima energía).  Hay isótopos  radiactivos (también llamados radio-isotopos) que al descomponerse emiten positrones (que es la partícula de antimateria  equivalente al electrón, pero de carga positiva). Si a una persona se le administra (por vía intravenosa o inhalada) una molécula orgánica (como un azúcar del tipo de la glucosa, agua, algún fármaco o antagonista) marcada radiactivamente con un isotopo que emite positrones, estos se van a aniquilar al entrar en contacto con los electrones, en el proceso emiten dos fotones de alta energía. Esos fotones son detectados por un aparato y una computadora puede detectar donde están emitiéndose esos fotones. La cantidad de átomos afectados es minúscula comparada con el total que tiene, no digamos el cerebro entero, sino una sola neurona. Así al detectar donde salen mas de estos fotones se infiere que ahí hay mas de esa sustancia inyectada marcada radiactivamente. Por ejemplo: Si se quiere saber donde se consume mas glucosa en el cerebro, se administra a una persona glucosa marcada misma que se encontrara mas donde mas se le use y ahí se detectara mayor cantidad de  fotones. Entonces en esa área se esta utilizando mas energía. Y sirve para marcar radiactivamente multiples sustancias, no solo azúcares, también drogas o sus antagonistas.

dopamine_d2_receptors_in_addiction

Detección de receptores a Dopamina tipo 2 (DDR II) en usuarios de diferentes sustancias psicoactivas y su comparación con sujetos sanos, mediante la técnica de PET

Mediante estas dos técnicas, y otras mas, se han encontrado importantes datos que sostienen el dicho de Nora Volkow. Asi se han mapeado las áreas y vías cerebrales que intervienen en el propio proceso adictivo, además de conocer que ocurre en el cerebro tras un consumo agudo en personas usuarias frecuentes, como funciona el cerebro en la etapa de supresión o abstinencia y cuando se vive la experiencia subjetiva que llamamos Craving (Deseo imperioso de consumo).  Se han encontrado que ha cambios neurofisiológicos reversibles y otros irreversibles, pero ambos tipos pueden empezar a explicar la sintomatología y alteraciones en el pensamiento y por tanto en la conducta de los afectados por la enfermedad de la adicción.

Los hallazgos específicos para cada sustancia en particular y en el cerebro adicto en general (incluidos los cambios en el cerebro de jugadores compulsivos actualmente conocidos como adictos al juego) serán tema de otro articulo mas adelante. En tanto baste recordar que a diferencia de Silkworth, hoy en dia tenemos mas que suposiciones afortunadas sobre el porque existe y como se da el fenómeno de la adicción a sustancias e inclusive adicción a procesos. Estas técnicas nos permitirán seguir explorando los secretos del cerebro, en particular del cerebro adicto, para poder diseñar mejores tratamientos tanto farmacológicos como psicoterapéuticos y quizá un día poder curar la enfermedad adictiva, hoy por hoy incurable, crónica y mortal.

Referencias

Alcohólicos anónimos. (1986) (1st ed.). México, D.F.

Las drogas, el cerebro y el comportamiento: La ciencia de la adicción. (2008) (1st ed.). Retrieved from https://www.drugabuse.gov/sites/default/files/soa_spanish.pdf

Patuzzi, J. (2012). La historia de la radiología (1st ed.). Vienna, Austria: Sociedad Europea de Radiología. Retrieved from http://www.internationaldayofradiology.com/wp_live_idor_uai3A/wp-content/uploads/2013/10/IDOR_2012_Story-of-Radiology_SPANISH.pdf

Ruiz Sánchez de León, J. & Pedrero Pérez, E. (2014). Neuropsicología de la adicción (1st ed.). Madrid [etc.]: Panamericana.

Scanner, C. (2016). La Tomografía computada: principios e historia de su desarrollo – Grupo C.T. ScannerGrupoctscanner.com. Retrieved 2 December 2016, from http://grupoctscanner.com/la-tomografia-computada-principios-e-historia-de-su-desarrollo/