Historia de la adicción

La lesión de Phineas Gage explicada desde los sistemas neuronales top-down & bottom-up

Pocas personas son tan célebres en el mundillo de las neurociencias, como el ciudadano estadounidense Phineas Gage, nacido en 1823.  Este hombre, sin embargo, no escribió una sola línea sobre neurología ni realizo ningún descubrimiento portentoso, es mas no era médico, ni biólogo, ni siquiera frenólogo.

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 arruinándole la 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.

En esta entrada, utilizando diversas fuentes, intentaremos reconstruir la historia del accidente de Gage asi como las secuelas de este, además revisaremos un reciente estudio que descubrió cuales tractos nerviosos y que areas del cerebro pudieron haber sido dañadas en el accidente. Finalmente revisaremos la propuesta de los mecanismos top-down asi como los bottom up y su aplicacion en diferentes areas de estudio en las neurociencias y como aplicados al area de la impulsividad podrían explicar la conducta impulsiva y poco autocontrolada de Gage posterior al accidente.

Devils gate Bridge Weber Canyon 1869- Tomado de Wikimedia Commons (a)

La historia de Phineas Gage

               El 13 de Septiembre de 1848 (Miércoles), Phineas Gage contaba con 25 años cumplidos y trabajaba en la construcción del ferrocarril Rutland & Burlington Railroad en Cavendish, Vermont. Era un hombre considerado capaz, trabajador además de responsable por lo que había llegado a ser capataz.

Como capataz tenia a su cargo el dirigir a su cuadrilla para preparar las detonaciones que volarían las rocas que obstruían el tendido del ferrocarril. Esto se hacia al perforar un profundo agujero en la piedra, que era luego rellenado con pólvora y un detonador. Posteriormente se metía una mecha y se cubría el resto del agujero con arena. Finalmente se apisonaba con una barra de hierro.

Una tarea rutinaria, que Phineas realizaba una y otra vez. Rutinaria pero peligrosa, y cuando una tarea peligrosa se vuelve repetitiva, aumenta el riesgo de cometer un error.

El método de perforar, colocar el explosivo y apisonar aun se practicaba en el siglo XX para volar (o tronar) la roca. En este documental de 1973 https://youtu.be/RnF7O7SPeeA?t=600 se observa a un trabajador utilizar este método en la construcción del drenaje profundo de México.

No se sabe a ciencia cierta que paso. Se especula que una carga exploto cuando se estaba apisonando uno de estos agujeros con la barra, quizá porque no tenia arena en el agujero. Sin la arena, en caso de que la pólvora explotara, lo haría hacia afuera (no rompiendo la piedra) haciendo un efecto cañón, impulsando a gran velocidad cualquier cosa que estuviese en dicho agujero. 

Se piensa que Gage o alguno de sus hombres 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) probablemente pego con la roca, generando chispas, lo que hizo estallar la pólvora, lo que a su vez hizo salir disparada la pesada barra.

Infortunadamente la cabeza de Gage estaba en el camino de la barra, la cual le atravesó, entrando por una de sus mejillas, destruyendo la órbita ocular (perdió el ojo izquierdo) y saliendo por la parte superior del cráneo. Una herida que en esa época y aun en nuestros días podría ser considerada como mortal.

Hasta aquí parecería un caso más para los anales olvidados de la nula seguridad laboral del siglo XIX. Sin embargo, y aquí empieza lo asombroso, el joven y atlético capataz no murió. Aunque quedo tendido tras el impacto, empezó a moverse y a reaccionar a los pocos minutos.

Sus hombres lo llevaron a un hotel (el Sr. Joseph Adams) en la misma localidad de Cavendish. Se dice que bajo de la carreta por su propio pie, que estaba consiente y podía relatar lo sucedido. Poco después acudió el medico local, Dr John Martyn Harlow, quien le salvo la vida, tratándole las heridas asi como la infección (algo notable en la era preantibiotica). El medico le cuido durante semanas, hasta que pudo darlo de alta en su ultima vista en Abril de 1849, tras lo cual no supo mas de su paciente, al menos hasta después de la muerte de este. Pero antes de eso, el medico publico la primera comunicación científica del extraordinario caso, en una carta al Boston Medical and Surgical Journal.

Phineas Gage sosteniendo la barra que lo hirió
Foto: Wikimedia Commons (b)

En tanto, Gage aparentemente recuperado de sus lesiones, tenia unas curiosas pero terribles secuelas conductuales ademas de crisis convulsivas. Vivió una azarosa vida que lo llevo por algunas partes de Estados Unidos e incluso Sudamérica. Siempre en compañía de su barra, con la que se dejaba retratar. Finalmente falleció en 1860 aparentemente tras un crisis epileptica. Cuando el Dr Harlow se entero de la muerte de su paciente, además de documentar la evolución de este tras el alta, solicito exhumar el cráneo lesionado y lo deposito, junto con la barra en el museo medico de la universidad de Harvard.

En 1868 el doctor Harlow describió el poster estado de Phineas, a partir de los reportes de su familia, tras su aparente recuperacion física:

Se volvió «intermitente, irreverente, permitiéndose a veces las blasfemias más groseras (que antes no era su costumbre), manifestando poca deferencia por sus compañeros, impaciente por la moderación o consejo cuando entra en conflicto con sus deseos «. En este sentido, su mente cambió radicalmente, tan decididamente que sus amigos y conocidos dijeron que «ya no era Gage»

John Harlow . 1868 . Recovery from the passage of an iron bar through the head . Publ Mass Med Soc. 2:327–347. Citado por Thiebaut de Schotten et al., (2015)

El medico atribuyo el cambio de personalidad de Gage al daño en el lobulo frontal izquierdo, convirtiéndose el caso en una de las primeras descripciones del efecto de una lesión prefrontal en el cerebro. Y aunque tardo en hacer mella en el pensamiento científico sobre el cerebro de la época, el caso fue un punto de inflexión para empezar a comprender la relacion de las funciones mentales y la corteza cerebral.

Mas recientemente Antonio Damaso (2006), regreso el caso de Gage al foco de la atencion de expertos y del gran publico con su libro «El error de Descartes». Ahi propone que la historia de Gage 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. Como invitando a retirar cualquier vestigio metafísico en la mente humana.

Frontispicio, que muestra múltiples vistas del cráneo exhumado y del apisonador de hierro, del sobreviviente de una lesión cerebral Phineas Gage (Foto: Warren Anatomical Museum 1870 – Tomada de Wilimedia Commons (c)

Análisis de las lesiones de Phineas Gage *

Thiebaut de Schotten y colaboradores en 2015 tomaron una tomografía axial computada realizada al craneo de Gage, que junto con el hierro de apisonar que lo lesiono, continuaba siendo conservado en el Museo de Anatomía Warren en Boston.

Con base en ello, describieron las lesiones oseas del capataz: » La barra entró debajo del hueso cigomático izquierdo y pasó a través de las alas mayor y menor del hueso esfenoides, creando el agujero que observamos cerca de la línea media del cráneo en el hueso frontal izquierdo». Usando esta informacion los investigadores pudieron estimar la extensión de la lesión.

Posteriormente mapearon cuales eran los tractos que se habían desconectado, basándose en un atlas de las conexiones del cerebro realizado usando los datos obtenidos de 129 voluntarios sanos, logrando describir los tractos mas dañados.

La conclusión fue que Gage presento daño primordialmente en el fascículo uncinado, tracto frontal superior y tractos longitudinales inferiores, asi como el tracto inclinado frontal y  y tracto orbitopolar frontal primordialmente, con porcentajes de daño del 30 al 50 % de estos tractos.

En cuanto a las areas lesionadas, estas fueron  la corteza orbitofrontal, la corteza prefrontal dorsolateral y la corteza temporopolar. Esto genero la desconexion de otras areas corticales y mas importante aun la desconexion parcial de estructuras subcorticales:  el tálamo, el cuerpo estriado y la amígdala.

Las regiones lesionadas cumplen las siguientes funciones:

  • Las regiones temporales conectadas por el fascículo uncinado están involucradas en la memoria y la emoción episódica y semántica
  • Las regiones orbitofrontales están asociados con la inhibición de respuesta, la regulación del humor, y la recompensa

Entonces la desconexión del fascículo uncinado (que conecta las regiones temporales anteriores como la corteza entorrinal, la amígdala y la corteza temporopolar con la corteza orbitofrontal medial y lateral) en Gage puede explicar algunas de las manifestaciones conductuales informadas por Harlow 

* Párrafo adaptado de Thiebaut de Schotten et al., (2015)
Reconstrucción 3D del cráneo de Gage registrado conjuntamente en el espacio MNI con un cerebro promedio de 152 sujetos.
(a) La trayectoria de la barra a través del cerebro está en rojo y muestra daños en las áreas corticales y la sustancia blanca subcortical.
b ) Metanálisis de estudios de resonancia magnética funcional que informan activaciones relacionadas con tareas de toma de decisiones (66 estudios) y emociones (215 estudios).
Tomado de (Thiebaut de Schotten et al., 2015) bajo licencia Atribución 4.0 Internacional (CC BY 4.0) (d)

Los mecanismos “de abajo hacia arriba” ( bottom-up) y “de arriba hacia abajo”  (top-down ) en la explicacion de la lesión de Phineas Gage

  Regresando al reporte del Dr Harlow, llama la atencion la parte en la que comenta: “Se había destruido el equilibrio entre sus facultades intelectuales y sus inclinaciones animales” (Muci-Mendoza, 2007; García-Molina, 2012).

¿Que paso con el funcionamiento cerebral de Gage cuando ya no estaba completamente conectadas las regiones tempórales inferiores (incluida la amigdala, la corteza etnorrinal y temporopolar entre otras) con las regiones superiores como la corteza orbitofrontal? Una aproximación para contestar esa pregunta, podría partir de la concepción de dos mecanismos neurobiológicos opuestos que funcionan en el cerebro y que en el caso de Gage, tal como intuía Harlow, habían perdido su equilibrio.

        Dichos mecanismos explicarían la interacción dinámica entre los hemisferios cerebrales y principalmente entre las regiones corticales (superiores) con las subcorticales (inferiores). Se les denomina Top-Dow (de arriba hacia abajo) y Bottom-Up (de abajo hacia arriba). (Valdivieso-Jiménez & Macedo-Orrego, 2018).

Como se vera mas adelante, las conceptualizaciones de los sistemas neuronales a partir de estos mecanismos abarca varias otras funciones como atencion, conciencia, apetito, etc.

Para el caso de Gage el desequilibrio entre los sistemas top-down y bottom-up se habria dado en la diada «Impulsividad/Reflexividad» :

MecanismoSistemaEstructuras ImplicadasFunciones relacionadas :
Descendente
(Top-Down)
Arriba hacia Abajo

Reflexivo
Ejecutivo
Corteza cerebral
(área prefrontal)
– Control cognitivo de la conducta
– Planificación de la conducta
– Inhibición del impulso
– Posposición de la gratificación
Ascendente
(Bottom-Up)
Abajo hacia Arriba
Impulsivo
Reactivo
Regiones subcorticales – Búsqueda de conductas Gratificantes
– Búsqueda de recompensa inmediata
– Conducta impulsiva y compulsiva
Diferencias en los sistemas neuronales Top-Down y Bottom-up para la diada reflexiva / impulsiva.

En el caso que nos ocupa el sistema de Top Dow (arriba hacia abajo) se correspondería con lo que el Dr Harlow llamo «facultades intelectuales» y el sistema Bottom-Up (de abajo hacia arriba) con lo que denomino «inclinaciones animales». Evidentemente estos dos sistemas son contrapuestos y se hayan en competencia para influir en la conducta. En condiciones normales el sistema Top-Down prevalece sobre el Bottom-Up, al suprimir cogniciones indeseadas o al permitir hacer elecciones con perspectivas de largo plazo, mediante el llamado mecanismo de control cognitivo. (Stevens et al., 2014). Pero cuando el sistema Top-Down falla en estas funciones aparecen impulsividad e inclusive compulsividad. (Dalley et al., 2011) En otras palabras, «cuando los procesos cognitivos corticales no logran ejercer su función reguladora sobre las áreas subcorticales», «surge la desregulación de este sistema dinámico y se establece predominancia subcortical» (Valdivieso-Jiménez & Macedo-Orrego, 2018).

                La historia de Pineas Gage y su repentino cambio conductual podría entonces ser explicada desde este modelo por la destrucción o clara disminucion en el funcionamiento del mecanismo “top-down” quedando a merced del “bottom-up” , que carecía de contrapeso.

Los mecanismos Top-Down & Bottom-Up en la conceptualización de otras funciones mentales:

Como ya dijo, esta conceptualización diádica se ha utilizado para describir y para estudiar otros sistemas neuronales asi como otros fenómenos a lo largo del desarrollo de la neurociencia. Sin pretender hacer un listado exhaustivo, se ofrecen algunos ejemplos donde se ha utilizado el concepto.

— Explicación de las fuentes de la atención o prosexia (Katsuki & Constantinidis, 2013):

  • Atención Exógena (Bottom-Up): Donde la informacion a procesar se selecciona automáticamente por la naturaleza de los estímulos. ( Por ejemplo: Una explosión o un golpe fuerte)
  • Atención endógena (Top-Down): Donde la informacion a procesar se busca voluntaria y activamente en el entorno. (Por ejemplo: Una clase o conferencia que puede ser percibida como «aburrida»).

— Búsqueda de los correlatos neuronales de la conciencia (Cofré et al., 2020):

  • Enfoque de estudio Top-Down: Se basa en identificar firmas de conciencia de alto nivel y luego intentar deducir los mecanismos biofisicos compatibles con esas firmas.
  • Enfoque de estudio Bottom-Up: Se basa en entender las reglas de funcionamiento de unidades dinámicas elementales del cerebro (neuronas, grupos de neuronas) y a partir de ello «intentar proporcionar predicciones cuantitativas explorando las consecuencias agregadas de estas reglas en varias escalas temporales y espaciales» (sic) (op cit).

— Explicación de los impulsos subyacentes en la alimentación (Berthoud, 2011):

  • El sistema Bottom-Up mediaría el «Hambre Metabólica»: Esta correspondería a la modulación «normal» del apetito, basado en la regulación natural del equilibrio energético por estructuras profundas como el tallo cerebral y el hipotálamo.
  • El sistema Top-Down mediaría el «Hambre Hedónica»: Implicaría la participación de factores cognitivos, emocionales y de recompensa donde se encuentran implicadas estructuras cortico-límbicas. Este tendría preeminencia sobre el sistema Bottom-Up y propiciaría continuar con la conducta de alimentación aunque se tenga ya exceso de nutrientes.

— Como modelo explicativo del cambio en algunas escuelas psicoterapéuticas (Valdivieso-Jiménez & Macedo-Orrego, 2018):

  • Las que utilizan el mecanismo (efecto) Top-Down: Se centran en el cambio inicial en el contenido de las cogniciones para lograr a largo plazo una conectividad optima con áreas subcorticales. Entre estas, los autores mencionan: Terapias con bases Cognitivo-Conductuales, Terapia Gestáltica, Terapia centrada en el cliente de Carl Rogers , asi como algunos enfoques Sistémico-Familiares.
  • Las que utilizan el mecanismos (efecto) Bottom-Up: Aquellas que se centran en áreas de predominio subcortical que progresivamente influye sobre las funciones corticales superiores. Se mencionan: «La terapia de Aceptación y Compromiso, terapia Dialéctica Conductual, Activación Conductual, la Terapia Cognitiva basada en Mindfulness, entre otros» (sic) (op. cit)

— Explicación del procesamiento sensorial (Rauss & Pourtois, 2013) ** :

  • En 1979 Kinchla y Wolfe se propusieron probar si el procesamiento visual esta organizado «de arriba hacia abajo» o «de abajo hacia arriba», basándose en los tiempos de respuesta a estímulos. Llegaron a la conclusión de que la percepcion visual no procede de ninguno de estos dos mecanismos, sino «de en medio» (“middle-out”).
  • Fue Palmer en 1999, quien propuso la siguiente diferenciación:
Procesamiento sensorial Bottom-Up
(abajo hacia arriba)
«Procesos que que toman una representación de nivel inferior como entrada y crean o modifican una representación de nivel superior como salida»
Procesamiento sensorial Top-Down (arriba hacia abajo)«Procesos que operan en la dirección opuesta, tomando una representación de nivel superior como entrada y produciendo o modificando una representación de nivel inferior como salida»
Definición de los mecanismos Bottom-Up y Top-Down de Palmer para el procesamiento sensorial. Citado por Rauss & Pourtois, (2013) **

Los autores llegan a la conclusión de que la definición de Palmer y otras mas se pueden resumir en tres puntos:

  1. El procesamiento de la información está organizado jerárquicamente
  2. Los niveles inferiores de la jerarquía representan información detallada sobre los estímulos, mientras que los niveles superiores representan información más integrada
  3. El intercambio de información entre niveles es bidireccional
** Párrafo adaptado de Rauss & Pourtois, (2013)

Los sistemas Top-Dow & Bottom-Up en la adicción:

Estos sistemas también se han propuesto para explicar el fenómeno adictivo; primordialmente desde la perspectiva de la impulsividad. Para Stevens y colaboradores (2014) en la adicción «el impulso del sistema ascendente (Bottom-Up) abruma al sistema ejecutivo descendente (Top-Down)». Este punto de vista es apoyado por Kozak y colaboradores (2018) para quienes la impulsividad es un marcador asociado a los trastornos por uso de sustancia que se caracteriza por un desequilibrio entre los sistemas comentados.

Por otro lado Dalley y colaboradores (2011) sostienen que la vulnerabilidad a la adicción puede depender de un endofenotipo de impulsividad, pues en los modelos animales de roedores que revisaron, se observo que aquellas ratas altamente impulsivas (definidas como tales antes de la exposición a sustancias por su baja capacidad de retrasar la gratificación inmediata a cambio de una recompensa mayor posterior) se auto administraban mas sustancias que las poco impulsivas.

Todo lo anterior sugiere que el desbalance entre los sistemas ascendentes y descendentes que lleva a la predominancia de los primeros, se expresa por una mayor impulsividad, la cual seria un rasgo de vulnerabilidad latente para desarrollar un trastorno por uso de sustancias u otra adicción.

Igualmente este desbalance podría explicar también la conducta irracional e impulsiva que se observa típicamente en individuos con trastornos por uso de sustancias en cuanto al consumo y la recaída. También ayudaría a explicar la eficacia de ciertas psicoterapias en el tratamiento de la adicción al propiciar un proceso de restauracion del balance entre ambos sistemas.

Conclusiones

El accidente de Phineas Gage hace mas de 160 años y su milagrosa aunque incompleta recuperacion permitió entender la importancia de la corteza cerebral prefrontal y desmonto muchas de las teorías predominantes en la época. El estudio con técnicas actuales de las lesiones de Gage mediante la extrapolación a partir de lo observado en el cráneo del infortunado capataz, ayudan a comprender, a la luz de los nuevos conocimientos, que fue lo que ocurrió en su funcionamiento cerebral a la vez que permiten explicar desde concepciones teóricas contemporáneas las secuelas conductuales que presento. Particularmente util es para este fin la conceptualización del desbalence entre sistemas ascendentes y descendentes. Concepto que además se ha aplicado como modelo explicativo a otras funciones mentales desde la percepción hasta el cambio inducido por psicoterapias.

Llama la atencion como las lesiones descritas dieron lugar a un comportamiento similar al que se puede observar en ciertas personas que presentan un trastorno por uso de sustancias y otras adicciones. En particular las conductas impulsivas. Un mismo desbalance entre mecanismos opuestos, pero con distintas causas. En el caso de Gage un trauma físico, en el caso de la adicción un posible rasgo endofenotipico que genera mayor vulnerabilidad a desarrollarla.

Referencias


Créditos de las imágenes

(a) Devil’s Gate Bridge in Weber Canyon, Utah 1869 – Dominio Publico https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Devils_gate_Bridge_Weber_Canyon_1869.jpg

(b) Retrato en tarjeta del gabinete del sobreviviente de una lesión cerebral Phineas P. Gage (1823-1860), que se muestra sosteniendo el hierro que lo lastimó; imagen recortada para eliminar gran parte de la tarjeta circundante – Dominio Publico

(c) 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.

(d) Reconstrucción 3D del cráneo de Gage registrado conjuntamente. La trayectoria de la barra a través del cerebro está en rojo y muestra daños en las áreas corticales y la sustancia blanca subcortical. Detalle. Tomada de (Thiebaut de Schotten et al., 2015) bajo licencia Atribución 4.0 Internacional (CC BY 4.0) http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ disponible en https://academic.oup.com/view-large/figure/86062392/bhv17306.tiff


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Como citar esta entrada:

Escalona, O. (2020). La lesión de Phineas Gage explicada desde los sistemas neuronales top-down & bottom-up | Addictus Adsertor Libertatis. Disponible en: http://addictus.pelimexic.com/phineas-gage-y-los-sistemas-top-down-bottom-up/.