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Cómo el cerebro busca el placer y evita el dolor
La neurocientífica Kay Tye aborda la base física de las emociones y el comportamiento. 27 de junio de 2017
joshua mateo
Cuando era niña, Kay Tye estuvo inmersa en una vida de ciencia. Crecí en el laboratorio de mi madre, dice ella. A la edad de cinco o seis años, ganaba 25 centavos la caja por reabastecer las puntas de pipeta ordenadas a granel en cajas para esterilización mientras su madre, una aclamada bioquímica de la Universidad de Cornell, investigaba la genética de la levadura. (El padre de Tye es un físico teórico conocido por su trabajo sobre la inflación cósmica y la teoría de supercuerdas).
Hoy, Tye dirige su propio laboratorio de neurociencia en el MIT. Bajo grandes luces negras que recuerdan a una sesión fotográfica de moda, ella y su equipo del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria pueden observar cómo se comportan los ratones cuando se activan o desactivan determinados circuitos cerebrales. Cerca, pueden registrar la actividad neuronal de los ratones a medida que los animales se mueven hacia un estímulo particular, como agua azucarada, o se alejan, si están cruzando un piso que genera descargas eléctricas leves. En otros lugares, crean cortes de cerebro para probar in vitro, ya que estas muestras conservan su actividad fisiológica, incluso fuera del cuerpo, hasta por ocho horas.
Tye ha estado al frente de los esfuerzos para identificar las fuentes de la ansiedad y otras emociones en el cerebro mediante el análisis de cómo los grupos de neuronas trabajan juntos en los circuitos para procesar la información. En particular, su trabajo ha contribuido a un cambio profundo en la comprensión de los investigadores sobre la amígdala, un área del cerebro que se consideraba central para las respuestas al miedo: descubrió que la señalización en la amígdala puede, de hecho, reducir la ansiedad y aumentar la ansiedad. eso. Para obtener tales conocimientos, también ha realizado avances cruciales en una técnica, llamada optogenética, que permite a los investigadores activar o suprimir circuitos neuronales particulares en animales de laboratorio usando luz. La optogenética fue desarrollada por el neurocientífico y psiquiatra de Stanford, Karl Deisseroth, y representó un gran avance en los esfuerzos por determinar el papel de partes específicas del cerebro. Mientras Tye trabajaba en su laboratorio como posdoctorado, ella demostró, por primera vez, que era posible identificar y controlar grupos específicos de neuronas que enviaban señales a neuronas diana específicas.
Este enfoque detallado es importante porque los medicamentos que tratan afecciones como la ansiedad actualmente no se dirigen a circuitos específicos, y mucho menos a las neuronas individuales; más bien, operan en todo el cerebro, lo que a menudo conduce a efectos secundarios indeseables. La investigación de Tye puede eventualmente ayudar a abrir la puerta a medicamentos que afectan solo circuitos neuronales específicos, lo que reduce la ansiedad con menos efectos secundarios.
Tal trabajo ha ganado elogios formales, incluido un Premio Presidencial de Carrera Temprana para Científicos e Ingenieros del presidente Obama, un Premio Freedman de neurociencia y un premio TR35, que reconoce a investigadores destacados menores de 35 años. Tye también ha recibido grandes elogios de otros en su campo que admiran la amplitud creativa de su ambición. Ella no tiene miedo de hacer las preguntas más fundamentales, las que la mayoría de los otros científicos evitan, dice Sheena Josselyn de la Universidad de Toronto y el Instituto de Investigación del Hospital para Niños Enfermos.
Las preguntas que aborda involucran emociones y fenómenos que ocupan un lugar preponderante en la experiencia humana, como la búsqueda de recompensas, la soledad y la sobrealimentación compulsiva. Su objetivo es comprender su base neuronal: cerrar la brecha entre el cerebro, tal como lo entienden los neurocientíficos, y la mente, tal como la conciben de manera más amplia los psiquiatras, psicólogos y otros estudiosos del comportamiento humano.
aspirante a novelista
Aunque podría parecer que Tye nació para ser científica, ella dice que su elección de carrera fue todo menos inevitable. En la escuela secundaria, se mostró ambivalente acerca de la ciencia y, en cambio, gravitó hacia la escritura; escribió obras de teatro, cuentos y poesía. En mi mente, iba a ser novelista, recuerda.
Aún así, mientras solicitaba ingreso a la universidad, incluyó al MIT en su lista, en parte para complacer a sus padres, Bik-Kwoon Tye y Henry Tye, quienes obtuvieron un doctorado allí en 1974. Y cuando recibió una carta de aceptación, su padre lo encontró. difícil disimular sus sentimientos mientras sus ojos se llenaban de lágrimas. Nunca en mi vida había visto llorar a mi papá, dice ella. Decidió que debería darle al aprendizaje científico un intento más dedicado. También se convenció a sí misma (con el apoyo de sus padres) de que centrarse en el mundo natural le daría más sobre lo que escribir en el futuro.
Como estudiante de primer año en el MIT, Tye se unió al laboratorio de Suzanne Corkin, quien trabajaba con H.M., uno de los pacientes más famosos en la historia de la neurociencia. H.M., cuyo nombre se reveló como Henry Molaison tras su muerte en 2008, sufrió una profunda amnesia después de una lobotomía para tratar las convulsiones; estudiar su condición permitió a los investigadores investigar los fundamentos neuronales de la memoria. Uno de los roles de Tye en el grupo fue hacer de H.M. un sándwich de mantequilla de maní y mermelada para el almuerzo. Se lo comía y luego, momentos después, con migas aún en la cara, preguntaba: ¿Ya almorzamos?
Los investigadores solucionan problemas de cuadros de comportamiento en los que los ratones aprenden a formar asociaciones positivas y negativas con los sonidos.
Me hizo apreciar que estas funciones básicas, como la memoria, que son tan importantes para quienes somos, tienen sustratos biológicos en el cerebro, dice. La neurociencia puede ser intimidante y estar llena de jerga, agrega. Pero la experiencia con H.M., junto con una inspiradora clase de introducción a la psicología impartida por Steven Pinker, hizo que valiera la pena pasar toda la noche en vela para comprender los mecanismos biológicos detrás de las construcciones psicológicas.
Aún así, después de la graduación, Tye quería asegurarse de que ella mirara a su alrededor, pensando en quién era y quién quería ser. Así que pasó un año de mochilera en Australia, donde trabajó en una granja, vivió en un ashram de yoga, enseñó yoga, acampó en la playa y trabajó en una novela. Descubrió que escribir era duro y solitario. Le gustaba enseñar yoga, pero no lo veía como una carrera profesional satisfactoria.
Salí de ese año sorprendentemente listo para ir a la escuela de posgrado, dice ella. Volviendo al mundo académico, inicialmente luchó por encontrar un laboratorio que la aceptara y casi se retira después de su primer año. Pero encontró una mentora en Patricia Janak, quien se convirtió en su asesora y obtuvo un doctorado en neurociencia en la Universidad de California, San Francisco, en 2008.
Una sorpresa en la amígdala
En 2009, Tye se unió al laboratorio de Deisseroth en Stanford. Deisseroth ya había desarrollado la optogenética, que les dio a los investigadores una forma mucho más precisa de identificar las contribuciones de las neuronas individuales dentro de un circuito. Junto con otros en el laboratorio, Tye usó la optogenética para probar la conexión entre dos partes de la amígdala, una región con forma de almendra que es crucial para la ansiedad y el miedo. Primero identificó neuronas en un área (conocida como la amígdala basolateral) que formaban conexiones con neuronas en otra área de la amígdala (conocida como el núcleo central) mediante el envío de proyecciones de fibras nerviosas. Cuando estimuló esas neuronas de la amígdala basolateral, pudo reducir la ansiedad en ratones. Es decir, podría hacer que los animales pasaran más tiempo en espacios abiertos y menos tiempo acurrucados a un lado. Esto fue sorprendente, porque cuando los investigadores estimularon la amígdala en su conjunto, el comportamiento de los ratones se volvió más ansioso.
Al principio, todos preguntaron: ¿Estás seguro de que estás usando la herramienta correctamente? ¿Que esta pasando? ella recuerda. Pero después de una meticulosa validación, en 2011, Tye y el grupo publicaron sus resultados en Naturaleza , mostrando que algunos circuitos dentro de la amígdala ayudan a calmar a los animales. Este documento también representó un gran avance en la técnica optogenética. Por primera vez, los investigadores pudieron concentrarse y manipular una parte específica de un circuito cerebral: grupos particulares de neuronas que se comunican con neuronas objetivo conocidas. La técnica, conocida como manipulación específica de proyección optogenética, ahora se considera una de las herramientas clave de la neurociencia.
En 2012, Tye llegó al MIT como profesora asistente de ciencias cognitivas y del cerebro en Picower, continuando su trabajo sobre la ansiedad. Mientras instalaba su laboratorio, apuntó a las neuronas dentro de la amígdala que parecían tener el efecto opuesto en la ansiedad de los ratones, haciendo que aumentara. Estas células cerebrales también se encuentran en la amígdala basolateral, pero envían proyecciones a una región cercana conocida como hipocampo ventral. Cuando Tye estimuló este circuito usando optogenética, los ratones evitaron los espacios abiertos, aparentemente sufriendo de ansiedad. (Cuando inhibió la formación de las conexiones, los animales se quedaron al aire libre nuevamente, su ansiedad aparentemente aliviada). Tye propuso que las neuronas vecinas en la amígdala pueden tener efectos opuestos en el comportamiento de los animales, dependiendo de los objetivos a los que envían señales. .
Los estudiantes de posgrado de laboratorio Tye Chris Leppla y Caitlin Vander Weele y los posdoctorados Praneeth Namburi y Stephen Allsop.
Amenazas y recompensas
En ese momento, la mayoría de los investigadores que estudiaban la amígdala todavía tendían a centrarse principalmente en su papel en el miedo. Sin embargo, Tye sospechaba que la actividad en esta parte del cerebro podría codificar un estímulo como gratificante o amenazante, bueno o malo, ayudando a las personas a decidir cómo responder. Hay muchos estímulos que encontramos en nuestra vida diaria que son ambiguos, dice Conor Liston del Brain and Mind Research Institute en Weill Cornell. Una interacción social, por ejemplo, puede ser amenazante o gratificante, y necesitamos circuitos cerebrales dedicados a diferenciar cuál es cuál.
Al observar la fuerza relativa de las corrientes que pasan a través de dos receptores de glutamato conocidos por indicar la fuerza sináptica, Tye descubrió que se reforzaron diferentes conexiones neuronales en ratones dependiendo de si un estímulo en particular estaba vinculado a una recompensa o una amenaza. Cuando los ratones aprendieron a asociar un sonido con una golosina de azúcar, encontró una entrada sináptica más fuerte a las neuronas en la amígdala basolateral que enviaba información al núcleo accumbens, que es parte del circuito de recompensa del cerebro. Por otro lado, cuando los ratones aprendieron a asociar el sonido con descargas eléctricas leves en sus pies, las señales de entrada se hicieron más fuertes en los circuitos que van desde la amígdala basolateral a la amígdala centromedial, que está involucrada en el dolor y el miedo. Además, demostró una compensación: cuando uno de estos circuitos se volvió más activo, el otro lo hizo menos. En otras palabras, descubrió cómo el cerebro codifica la información que permite a los ratones diferenciar entre los estímulos que son gratificantes y los que son potencialmente dañinos. Los resultados fueron publicados en Naturaleza en 2015.
En un trabajo reciente, Tye también investigó el circuito involucrado en la toma de decisiones en una fracción de segundo cuando las señales amenazantes y gratificantes están presentes al mismo tiempo. Ella y su equipo se centraron esta vez en las conexiones entre la amígdala y la corteza prefrontal, un área responsable del pensamiento de orden superior. (Específicamente, examinaron las interacciones entre la amígdala basolateral y la corteza prefrontal medial prelímbica). Usando optogenética y otras técnicas, demostraron que este circuito estaba activo cuando los animales estaban expuestos simultáneamente a una golosina de azúcar potencial y una descarga eléctrica potencial y tenían que tomar una decisión sobre cómo comportarse. Sus resultados, que aparecieron en abril en Neurociencia de la naturaleza , ayudan a iluminar cómo los animales descubren qué hacer frente a señales complejas y, a veces, contradictorias.
La estudiante de posgrado Caitlin Vander Weele examina imágenes ampliadas de cortes de cerebro para verificar que un sensor de calcio esté apuntando a un tipo específico de neurona.
Antojos y compulsiones
Como estudiante de posgrado, Tye había trabajado con investigadores centrados en la adicción, pero estaba más interesada en las recompensas naturales, como el azúcar, que en las sustancias de las que se abusa regularmente. En 2012, el alcalde de la ciudad de Nueva York, Michael Bloomberg, anunció un plan para limitar el tamaño de las porciones de refrescos que se venden en cines, estadios y restaurantes de comida rápida. Tye se preguntó qué es exactamente lo que, a nivel cerebral, hace que las personas deseen golosinas azucaradas, más allá del impulso normal para satisfacer el hambre.
Así que profundizó en el circuito neuronal. En un artículo publicado en 2015 en Celda , ella y su equipo se centraron en las neuronas del hipotálamo lateral (LH), un área del cerebro involucrada en impulsos como el hambre, y estudiaron sus proyecciones en otra región, llamada área tegmental ventral (VTA), conocida por desempeñar un papel tanto en la motivación y adicción. Utilizando la optogenética, ella y su equipo demostraron que encender conexiones específicas de LH-VTA hacía que los ratones se atiborraran de azúcar, mientras que apagarlas reducía la sobrealimentación compulsiva.
En su escritorio, Tye carga un video de demostración que muestra un mouse con un cable para transmisión de luz conectado a su cerebro. El video muestra al mouse moviéndose, casualmente al principio. Luego, cuando se enciende la luz láser para activar neuronas específicas en el circuito LH-VTA, el animal se vuelve frenético, corre y lame el suelo. Poco después, se lleva las patas vacías a la boca y hace una pantomima de probar y mordisquear. Se involucra en esta complicada secuencia motora y finge comer, lo cual es una locura porque no hay comida, dice Tye. En otras palabras, encender el circuito hace que el animal se comporte compulsivamente. Apagarlo tiene el efecto contrario.
Sin embargo, es crucial que, si bien desconectar este circuito previene el comportamiento compulsivo, no afecta la alimentación normal. Es decir, es posible definir una diferencia basada en el cerebro entre al menos algunos impulsos saludables y no saludables para comer. Esto sugiere que podría ser posible desarrollar medicamentos dirigidos o incluso alguna forma de biorretroalimentación que algún día podría ayudar a las personas a reducir los antojos poco saludables sin bloquear el hambre común.
Otro hallazgo reciente, sobre la soledad, surgió por casualidad de un proyecto que la posdoctorado Gillian Matthews había comenzado como estudiante de posgrado en el Imperial College London con Mark Ungless. Matthews notó que los ratones que habían estado aislados durante 24 horas durante los experimentos mostraban una señalización neuronal más fuerte en el núcleo del rafe dorsal del cerebro, que participa en la señalización de la recompensa, y buscaban activamente la compañía de otros ratones. Después de que se mudó al laboratorio de Tye en el MIT, Matthews y Tye desarrollaron la teoría de que los animales anhelaban la interacción. En otros experimentos, utilizaron la optogenética para desactivar la vía de señalización en el núcleo del rafe dorsal. Los ratones sometidos a este tratamiento no parecían buscar interacciones sociales adicionales después del tiempo por sí mismos.
En última instancia, Tye espera que ella y su equipo puedan responder preguntas humanas fundamentales, como por qué algunas personas prefieren pasar más tiempo solas mientras que otras anhelan un mayor contacto social.
Un laboratorio sin drama
Aunque el laboratorio de Tye está interesado en los orígenes de fenómenos como el miedo y la compulsión, se destaca por su propia falta de tensión y conflicto. Stephen Allsop, un posdoctorado que ha trabajado con ella durante cinco años (varios de los cuales los pasó como estudiante de posgrado), dice que hace hincapié en la estrecha colaboración entre los miembros del equipo y supervisa una cultura optimista y de apoyo: es increíble el poco drama que tenemos en este laboratorio
Junto con la integridad científica, hago de la cultura positiva, colaborativa y abierta de mi grupo de investigación, y la felicidad de las personas que lo integran, mi principal prioridad, dice Tye. La excelencia científica es un segundo cercano. Las relaciones sólidas con profesores y mentores son parte del atractivo de la ciencia, agrega.
De hecho, dice ella, solo son superados por los lazos entre padres e hijos. En 2013, Tye y su marido, Jim Wagner, desarrollador de software, tuvieron una hija, Keeva, que ya la ha acompañado a conferencias por todo el mundo. Su hijo, Jet, nació el año pasado. Y los niños han encontrado un lugar en su laboratorio, al igual que ella encontró un nicho en el de su madre (aunque todavía tienen que ganar puestos remunerados). como ella dijo Naturaleza cuando Keeva aún era un bebé: si mi hija de repente necesita que la levanten, la llevo a mi reunión de laboratorio o me reúno con personas mientras la reboto. Si tiene un colapso total, entonces a veces tengo que rescatar y hacer un seguimiento más tarde.
Pero si bien puede ser tranquila como madre y líder de laboratorio, Tye encuentra mucho drama en la neurociencia en sí misma, y sigue volviendo a sus preguntas centrales porque son muy atractivas. Aunque dice que ahora lee menos novelas que antes, todavía parece atraída por el tipo de misterios que un escritor podría indagar: ¿Por qué un héroe emprende un viaje? ¿Por qué la cháchara en su cabeza sale mal y conduce a soliloquios sombríos o autosabotaje ansioso? Como novelista, exhibe una tremenda amplitud creativa. Hay algo especial en la ciencia, dice ella. Su nuevo trabajo se basa en lo que hizo anteriormente. Y si tiene suerte, puede ayudar a dar forma al futuro.