Érase una vez un ratoncito llamado Brainbow...

Los que seguimos con cierta asiduidad los desarrollos de la neurociencia nos las prometíamos muy felices cuando hace dos años se presentó en sociedad el Brainbow, una técnica para ver las conexiones neuronales en colorines (brain, cerebro, rainbow, arco iris) [ejemplo en la imagen, cortesía de Jean Livet] que abría todo un mundo de posibilidades para el estudio. Hoy día, la mayor parte de los investigadores usan métodos más tradicionales. ¿Qué ha pasado? ¿Era todo humo?

Las neuronas en los cerebros jóvenes forman una marabunta de interconexiones lanzadas en todas direcciones, con múltiples células nerviosas convergiendo en una sola célula diana. Conforme los cerebros maduran, algunas de estas conexiones se podan como las ramas inútiles de un árbol. El poder visualizar este proceso de poda en células individuales podría ayudar a los investigadores a dar una respuesta a cuestiones fundamentales acerca de cómo se propaga la información en una red neuronal. Sin embargo, llegar a conocer cómo las diferentes conexiones se ven reforzadas o eliminadas es algo bastante complicado, básicamente porque, cuando se usa una tinción para una neurona y su vecina, lo que se ve en el microscopio es un borrón indiscernible.

Y entonces va el equipo de Jeff Lichtman en 2007 y presenta el Brainbow [1]. Lichtman, un neurobiólogo de la Universidad de Harvard (EE.UU.), y su equipo desarrollaron una técnica llamada Brainbow para etiquetar neuronas en los cerebros de ratones usando una paleta de 100 colores diferentes. La clave de la técnica está en la creación de ratones transgénicos con genes para la proteína Cre recombinasa (cre), así como con un trocito de ADN artesanal hecho ex profeso de unos cuantos miles de pares de bases. Este trocito de ADN contiene genes para proteínas fluorescentes verdes, rojas y azules anidados entre diferentes sitios de transcripción 1oxp.

Lo que sigue es predecible. La activación de la expresión de cre hace que la proteína corte diferentes partes del ADN-Brainbow y que exprese una proteína o roja, o azul o verde. El equipo, en el trabajo original publicado en Nature, colocó entre 8 y 16 copias de estos genes Brainbow en ratones. Lichtman comentó el efecto en términos pictóricos: “El número de copias es como pinceladas de pintura; el número de gotas de un color determina el color final expresado por la neurona”. Con múltiples copias de segmentos de ADN, el cerebro del ratón se puede pintar con 100 matices de color, lo que permite a los investigadores, usando un microscopio óptico, distinguir entre neuronas vecinas.

“¡Esto es la revolución! ¡La releche! ¡Que le den el Nobel!” eran expresiones habituales entre los que hacíamos el master en neurociencias por aquella época. La gente de prestigio también comentaba. Olaf Sporns de la Universidad de Indiana (EE.UU.) escribió “el enfoque de Lichtman nos permite ver la conectividad de las neuronas individuales, y eso es simplemente algo que jamás habríamos pensado que fuese posible”. Steven Paddok, el famoso microscopista de la Universidad de Wisconsin en Madison se había quedado, como todos, con la boca abierta: “las imágenes son tan impresionantes, tan bellas, y contienen tanta información biológica…”

Desde que se publicó Brainbow, otros equipos han comenzado a usarlo para codificar células con colores en otros organismos modelo, incluyendo el pez cebra (Danio rerio) y la Drosophila. Pero a pesar de la belleza de Brainbow, algunos investigadores dicen que todavía está luchando para encontrar su nicho, como si fuera un detergente para la ropa cualquiera.

Alex Schier (neurobiólogo, Harvard) ha estado usando la técnica con el pez cebra. Como el pez es transparente se puede observar el juego de colores a medida que el espécimen se desarrolla. Uno de los atractivos de la técnica Brainbow es el potencial para trazar las conexiones a larga distancia entre neuronas. Es como si intentásemos seguir con la vista un espagueti concreto en un plato lleno, sería imposible; pero si cada uno es de un color es mucho más fácil. Ése es el uso que le da Schier a la técnica para estudiar el desarrollo del sistema nervioso del pez cebra.

Pero hay grupos que son escépticos sobre el verdadero alcance de la técnica. Uno de los líderes del movimiento escéptico es Partha Mitra de los Laboratorios Cold Spring Harbour (Nueva York, EE.UU.). Su principal crítica es que no hay colores suficientes. 100 no bastan cuando se quieren estudiar entramados de miles y miles de neuronas presentes en el corte más fino de sustancia cerebral. Dado que más de una conexión neuronal podría estar pintada con el mismo tono de rojo, por ejemplo, los algoritmos computacionales tendrían que empezar a tomar riesgos: adivinar qué encaja con qué. La puerta que se abre al error es enorme.

En marzo de este año, Mitra y otros 37 científicos publicaron un artículo en PLoS Computational Biology haciendo una llamada para realizar un esfuerzo sistemático para trazar los circuitos neurales del ratón [2]. En vez de usar métodos en tecnicolor como Brainbow, el grupo pide que se desarrollen sistemas de alto rendimiento para el tratamiento de imágenes tradicionales, en las que una tintura trazadora de un solo color se inyecta en el sistema nervioso. La técnica está más establecida y es menos laboriosa que la Brainbow. Las técnicas de inyección de trazadores no pueden distinguir neuronas individuales y solo llega a las 200 micras de resolución, pero el grupo opina que no hace falta más para conocer el cableado cerebral.

Como dijo Svoboda (biofísico, Howard Hugues - Janelia Farm) y coautor del artículo de Mitra: “ahora mismo no es más que un montón de fotos preciosas, pero es muy prometedor”. Sí, sólo tiene que encontrar su nicho...

Referencias:

[1]

Livet, J., Weissman, T., Kang, H., Draft, R., Lu, J., Bennis, R., Sanes, J., & Lichtman, J. (2007). Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in the nervous system Nature, 450 (7166), 56-62 DOI: 10.1038/nature06293

[2]

Bohland, J., et al. (2009). A Proposal for a Coordinated Effort for the Determination of Brainwide Neuroanatomical Connectivity in Model Organisms at a Mesoscopic Scale PLoS Computational Biology, 5 (3) DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000334

El efecto del alcohol en el cerebro: identificado un mecanismo molecular.

Investigadores dirigidos por Paul A. Slesinger del Instituto Salk de Estudios Biológicos (California, EE.UU.) publican en Nature Neuroscience un estudio en el que se detalla un mecanismo molecular por el cual el alcohol altera el funcionamiento de las neuronas. En concreto han descubierto el lugar concreto de una proteína en el que se ancla la molécula de etanol.

Todos conocemos el efecto que la ingesta de alcohol tiene sobre el comportamiento. El alcohol pasa directamente del tracto digestivo a los vasos sanguíneos. En minutos la sangre transporta el alcohol a todas las partes del cuerpo, incluido el cerebro.

El alcohol afecta a las neuronas cerebrales de varias formas. Altera sus membranas así como sus canales iónicos, enzimas y receptores. El alcohol también se une a los receptores para la acetilcolina, serotonina, GABA y a los receptores NMDA para el glutamato.

Tomemos como ejemplo los receptores de GABA. El efecto del GABA es reducir la actividad neuronal permitiendo que los iones cloruro entren en la neurona post-sináptica. La carga negativa de estos aniones disminuye la diferencia de potencial de membrana en la neurona, lo que hace que sea más difícilmente excitable. Este efecto se ve multiplicado cuando el alcohol se une al receptor de GABA haciendo probablemente que el canal iónico permanezca abierto más tiempo y por tanto entre más cloruro en la neurona. La actividad de la neurona se vería aún más disminuida, lo que explicaría el efecto sedante del alcohol. Este efecto se ve reforzado porque el alcohol también reduce el efecto excitatorio del glutamato en los receptores NMDA.

Sin embargo, el consumo crónico de alcohol hace que, gradualmente, los receptores NMDA se vuelvan hipersensibles al glutamato mientras que vuelve insensibles los GABAérgicos. Esta adaptación es la que después provoca el estado de excitación (mono) característico de la abstinencia en los alcohólicos.

El alcohol también ayuda a incrementar la secreción de dopamina, por un proceso todavía poco conocido pero que parece implicar la disminución de la enzima que destruye la dopamina.

A pesar de todo lo anterior, los mecanismos moleculares exactos son poco, por no decir nada, conocidos. De ahí la importancia del descubrimiento del equipo de Slesinger. Demuestran que el alcohol (léase etanol) se une directamente con un recoveco específico de una proteína de un canal iónico GIRK. Este canal iónico en particular juega un papel clave en distintas funciones cerebrales asociadas con las drogas de abuso y los ataques epilépticos.

Los canales GIRK (siglas en inglés de canales de potasio rectificadores hacia el interior activados por una proteína G) se abren durante períodos de comunicación química entre neuronas y amortiguan la señal, creando el equivalente a un cortocircuito. Se sabía que el alcohol abría los canales GIRK pero no si era un efecto directo o el efecto colateral de otros cambios moleculares en la célula.

Analizando la estructura tridimensional del canal de potasio en alta resolución, los investigadores encontraron similitudes entre algunos recovecos de la proteína que constituye el canal [véase la imagen izquierda, cortesía de Slesinger; está tomada por cristalografía de rayos X] con lugares a los que se une el etanol en proteínas conocidas, como la enzima alcohol deshidrogenasa (la enzima que destruye el alcohol en el cuerpo) y la proteína de la mosca de la fruta (LUSH) que “percibe” el alcohol en el ambiente.

Cuando se introdujeron modificaciones en la cadena de aminoácidos de la proteína que impedían el acceso de las moléculas de alcohol a esos recovecos, se encontró que el alcohol ya no activaba los canales, confirmando que se trataba del objetivo buscado [en la imagen de la derecha vemos un esquema de la estructura detallada del lugar de anclaje, en rojo y amarillo la molécula de etanol]. Al igual que en el caso del GABA que veíamos más arriba el alcohol “secuestra” el mecanismo de activación del GIRK (papel que le corresponde a la proteína G), haciendo que permanezca más tiempo abierto.

Usando esta estructura proteínica podría ser posible desarrollar un fármaco que antagonizase la acción del alcohol para el tratamiento del alcoholismo. Por otro lado si se elabora un fármaco que active los GIRK usando el sitio de anclaje del alcohol pero sin sus efectos adversos, podría amortiguar la excitabilidad neuronal del cerebro y se convertiría en una nueva arma para combatir la epilepsia.

Referencia:

Aryal, P., Dvir, H., Choe, S., & Slesinger, P. (2009). A discrete alcohol pocket involved in GIRK channel activation Nature Neuroscience DOI: 10.1038/nn.2358

El origen evolutivo de la depresión: a veces es bueno renunciar a los sueños.

La depresión clínica es una enfermedad grave, pero casi todo el mundo se deprime levemente de vez en cuando. Randolph Nesse, un psicólogo e investigador en medicina evolutiva de la Universidad de Michigan, compara la relación entre la depresión leve y la clínica con la que existe entre el dolor normal y el crónico. Desde su punto de vista tanto el dolor como el estado de ánimo bajo son mecanismos de alarma y piensa que, de la misma manera que comprender el dolor crónico implica conocer primero el dolor normal, comprender la depresión clínica significa comprender primero la depresión leve.

La hipótesis de Nesse es que, análogamente al dolor que te impide hacer actividades físicas que te dañan, el estado de ánimo bajo hace que dejes de hacer actividades mentales dañinas, particularmente, perseguir metas inalcanzables. Perseguir estas metas es un gasto de energía y recursos. Por lo tanto, según Nesse, es probable que exista un mecanismo, consecuencia de la evolución de la especie, que identifique determinadas metas como inalcanzables e inhiba su persecución. El estado de ánimo bajo sería al menos parte de ese mecanismo.

Es una hipótesis ingeniosa pero, ¿es cierta? Un estudio publicado en el número de este mes de Journal of Personality and Social Psychology [1] sugiere que puede que lo sea. Carsten Wrosch de la Universidad Concordia (Canadá) y Gregory Miller de la Universidad de British Columbia (Canadá) estudiaron la depresión en chicas adolescentes. Midieron las “capacidades de ajuste de metas” de 97 chicas de entre 15 y 19 años durante 19 meses. Se las sometió a cuestionarios acerca de su capacidad de desengancharse de metas inalcanzables y reengancharse con otras nuevas. También se investigaron varios síntomas asociados con la depresión, y se siguió su evolución durante el periodo investigado.

La conclusión fue que las que habían experimentado síntomas leves de depresión podían, de hecho, desengancharse más fácilmente de las metas inalcanzables. Esto apoya la hipótesis de Nesse. Pero el estudio también encontró un corolario digno de destacarse: aquellas mujeres que podían desengancharse de lo no conseguible era menos probable que sufrieran depresiones graves en el largo plazo.

Los síntomas leves de depresión pueden verse por lo tanto como una parte natural de la gestión del fracaso en los adultos jóvenes. Aparecen cuando se identifica una meta como inalcanzable y llevan a una bajada de la motivación. En este período de baja motivación se ahorra energía y se pueden encontrar nuevas metas. Sin embargo, si este mecanismo no funciona adecuadamente la depresión clínica puede ser la consecuencia.

La importancia de abandonar las metas inapropiadas ya había sido demostrada por Wrosch y Miller. Hace dos años publicaron un estudio [2] en el que mostraban que los adolescentes que eran buenos a la hora de decidir abandonar una meta tenían una concentración menor de la proteína C-reactiva, una sustancia que se genera en respuesta a las inflamaciones y que está asociada a un alto riesgo de diabetes y enfermedades cardiovasculares. Los investigadores por ello concluyen que es más saludable abandonar las metas demasiado ambiciosas, esas que a veces llamamos sueños. La perseverancia, aunque necesaria para el éxito y considerada una virtud por muchos, también puede tener su impacto negativo en la salud.

Referencias:

[1]

Wrosch, Carsten, & Miller, Gregory E. (2009). Depressive symptoms can be useful: Self-regulatory and emotional benefits of dysphoric mood in adolescence. Journal of Personality and Social Psychology, 96 (6), 1181-1190

[2]

Miller, Gregory E., & Wrosch, Carsten (2007). You've Gotta Know When to Fold 'Em: Goal Disengagement and Systemic Inflammation in Adolescence Psychological Science, 18 (9)

Un bosón de Higgs, pero sin el barullo.

Los físicos de partículas del Large Hadron Collider (LHC) del CERN esperan descubrir el bosón de Higgs entre el barullo de partículas que se generen en las colisiones protón-protón. Los resultados que se publican en el número del 19 de junio de Physical Review Letters [1] muestran que hay una forma de eliminar parte de ese barullo. Un experimento en el colisionador protón-antiprotón Fermilab (Illinois, EE.UU.) ha identificado un proceso poco frecuente que produce materia a partir del intenso campo de la fuerza nuclear fuerte pero que deja intactos al protón y al antiprotón. Existe una posibilidad de que la misma interacción básica les permita a los físicos del LHC tener una visión más clara del Higgs.

Un protón siempre está rodeado por un enjambre fantasmal de fotones y gluones virtuales asociados con los campos electromagnético y de la fuerza nuclear fuerte. Los investigadores han predicho que cuando dos protones (o un protón y un antiprotón) pasan muy cerca el uno del otro, a menos de un diámetro de protón, estas nubes de partículas virtuales pueden interactuar ocasionalmente para crear nuevas partículas reales (no virtuales). Los protones originales perderían simplemente algo de momento y se separarían del haz de protones que recorre el colisionador. Una reacción tan “exquisita”, en la que las partículas originales no se destruyen, da datos inusualmente limpios porque hay muy pocas partículas que detectar.

En el nuevo experimento, los investigadores estaban buscando signos de que la interacción de gluones virtuales había generado partículas de vida corta, incluyendo los mesones Χ_c (pronúnciese ji-c) y J/ψ (jota-psi), que son pares encantado-antiencantado (un estado llamado charmonium, de charm, encanto en inglés, al que hace referencia el título del artículo publicado, ver abajo) que se desintegran en muones y antimuones. La reacción Χ_c sería especialmente poco frecuente porque exige que los protones donen dos gluones cada uno, un requisito que también hace que sea muy difícil hacer previsiones precisas.

En el 2007, los investigadores del Collider Detector at Fermilab [en la imagen] observaron pistas de reacciones “exquisitas” de gluones virtuales en forma de fotones de alta energía procedentes de colisiones protón-antiprotón. Ahora, el equipo ha cribado cerca de 500 pares muón-antimuón, identificando 65 que deben haberse originado por la desintegración de Χ_c (muy cerca de lo que predijo en 2005 un equipo de la Universidad de Durham, Reino Unido, [2]). Dado que Χ_c tiene características similares al mucho más pesado bosón de Higgs, cabe esperar que a las energías mucho más altas que se alcanzarán en el LHC el mismo tipo de reacción produzca el bosón de Higgs (suponiendo que exista, claro).

Basándose en la tasa de producción de Χ_c, se estima que las colisiones del LHC podrían producir entre 100 y 1000 bosones de Higgs al año en cada uno de los dos grandes detectores de partículas, ATLAS y CMS. Con una docena al año ya se puede medir la masa, el spin y otras propiedades del Higgs por lo que los equipos del ATLAS y el CMS están considerando añadir detectores para Higgs “exquisitos”.

Pero no todo el mundo es tan optimista. Hay quien dice, como Joseph Incandela, vicecoordinador de física del CMS, que, cuando el LHC esté a toda capacidad, cada cruce de los haces de protones producirá del orden de 20 colisiones, lanzando partículas que pueden ensuciar las reacciones “exquisitas”. Por otra parte, la supersimetría (una extensión del modelo estándar, la Biblia de la física de partículas) permite la existencia de múltiples bosones de Higgs y, en este caso, las reacciones “exquisitas” serían las únicas suficientemente limpias para distinguirlos.

Referencias:

[1]

Aaltonen, T., et al. (2009). Observation of Exclusive Charmonium Production and γγ→μ^{+}μ^{-} in pp[over ¯] Collisions at sqrt[s]=1.96  TeV Physical Review Letters, 102 (24) DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.242001

[2]

Khoze, V., Martin, A., Ryskin, M., & Stirling, W. (2005). Diffractive $\gamma \gamma$ production at hadron colliders The European Physical Journal C, 38 (4), 475-482 DOI: 10.1140/epjc/s2004-02059-0

Evolución del habla humana: un gen con efectos cerebrales claves.

Un modelo animal respalda la hipótesis de que las alteraciones de un gen específico provocaron modificaciones cerebrales importantes en la evolución del habla y del lenguaje. Los resultados, obtenidos por un equipo internacional dirigido por Wolfgang Enard del Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva de Leipzig , han aparecido en Cell.

Dentro de este esfuerzo cooperativo los científicos de la Clínica Alemana de Ratones (CAR) del Centro Helmholtz de Munich generaron y evaluaron ratones en los que se introdujeron partes del gen humano Foxp2. Se ha propuesto por parte de los investigadores del Max Planck que la sustitución de dos aminoácidos en el factor de transcripción FOXP2 fue seleccionada durante la evolución humana debido a los efectos que tiene sobre el habla y el lenguaje. Es ésta la sustitución que se ha introducido en el gen Foxp2 de los ratones. Lo que pretende el estudio que comentamos es dar una prueba a nivel funcional del efecto de la sustitución.

Los científicos de la CAR analizaron más de 300 parámetros de los ratones que incorporaban el gen modificado, incluyendo la capacidad para ver y oír, densidad ósea, las funciones metabólicas más importantes y un buen número de las neurológicas. Aunque los ratones en general estaban sanos, se encontró que tenían vocalizaciones ultrasónicas diferentes, comportamiento exploratorio disminuido y menores concentraciones de dopamina en el cerebro. Estas características indican que la sustitución provoca efectos en los ganglios basales [en la imagen]. En concreto, en una parte de los ganglios basales, el cuerpo estriado, las neuronas espinosas medianas aparecían con longitudes de dendrita aumentadas y mayor plasticidad sináptica. El cuerpo estriado aparece afectado en los humanos con déficit de habla.

Para reconfirmar el hallazgo se produjeron ratones sin una de las dos copias habituales del gen Foxp2, lo que condujo a especímenes con las capacidades de oír y aprender claramente disminuidas.

Los resultados pues, apoyan la hipótesis de que estas alteraciones en los ganglios cortico-basales han podido ser importantes en la evolución del habla y el lenguaje en los humanos.

Referencia:

Enard, W., Gehre, S., Hammerschmidt, K., Hölter, S., Blass, T., Somel, M., Brückner, M., Schreiweis, C., Winter, C., & Sohr, R. (2009). A Humanized Version of Foxp2 Affects Cortico-Basal Ganglia Circuits in Mice Cell, 137 (5), 961-971 DOI: 10.1016/j.cell.2009.03.041

La competencia social y el tamaño del cerebro humano.

Durante los últimos dos millones de años el tamaño del cerebro humano se ha triplicado, creciendo mucho más rápidamente que el de otros mamíferos. Un grupo de investigadores de la Universidad de Misuri (EE.UU.) ha examinado las razones de esta expansión del cerebro humano, estudiando para ello las posibilidades de tres posibles hipótesis: el cambio climático, los requerimientos ecológicos y la competencia social. El equipo encontró que la mayor causa de incremento de la capacidad craneal fue la competencia social.

Para comprobar estas tres hipótesis, David Geary y Drew Bailey recogieron datos de los cerebros de 175 homínidos de entre 1,9 millones y 10.000 años de antigüedad, desde el Homo habilis. Realizaron un análisis multivariante que permite la evaluación simultánea de variables que representan a cada uno de estos tres factores potencialmente selectivos. Para cada fósil se tabuló la localización geográfica (latitud), la prevalencia de parásitos dañinos, la temperatura media anual y la variación anual de temperatura. Se incluyeron asimismo una variable proxy para la densidad de población y dos índices de variabilidad paleoclimática para la época en la que fue descubierto cada cráneo. La tabla completa con la lista de fósiles puede verse aquí (PDF).

Los resultados revelaron contribuciones independientes de la densidad de población, de la variación paleoclimática y de la variación de la temperatura a la hora de predecir el cambio en la capacidad craneal. Aunque los efectos de la variabilidad paleoclimática y la variación de temperatura apoyan la hipótesis del cambio climático, la proxy de densidad de población es la que tiene mayor poder predictivo. Así, los tres factores tienen influencia pero el crítico es la densidad de población.

La interpretación de los resultados que hacen Geary y Bailey es que en áreas con mayores poblaciones humanas se incrementa la intensidad de la competencia social. Cuando los humanos tienen que competir para cubrir sus necesidades y por el estatus social, que permite mejor acceso a estas necesidades, un cerebro mayor es una ventaja.

Según los investigadores los cambios climáticos globales y las emigraciones desde el ecuador también contribuyeron a que los humanos fuesen mejores afrontado los cambios climáticos. Pero, según ellos, la importancia de lidiar con el clima fue mucho menor que la de lidiar con la gente.

Puede ser interesante leer: La esencia del comportamiento social humano (y 2): la masificación trajo la cultura.

Referencia:

Bailey, D., & Geary, D. (2009). Hominid Brain Evolution Human Nature, 20 (1), 67-79 DOI: 10.1007/s12110-008-9054-0

Átomos de hidrógeno selenitas.

Por una de esas casualidades que hay en la ciencia, científicos que pretendían sondear los límites exteriores del Sistema Solar se han encontrado con un fenómeno inusual mucho más cerca de casa. Los instrumentos a bordo de una nave espacial de la NASA han detectado átomos de hidrógeno de alta velocidad provenientes de la Luna. Los átomos tienen su origen en protones solares.

El regolito lunar se ve bombardeado continuamente por distintos tipos de radiaciones. La mayor parte proviene del viento solar, un flujo de protones que se mueve a unos 1,6 millones de kilómetros por hora desde el Sol en todas direcciones. Cuando estas partículas impactan en la Luna en su mayoría se quedan en la superficie lunar. Se sospechaba que un pequeño número cogía un electrón y rebotaba de nuevo al espacio como átomos neutros energéticos (ANE), es decir, como átomos de hidrógeno de alta velocidad. Sin embargo nadie había detectado estas partículas rebotadas hasta que un equipo del Southwest Research Institute en San Antonio (Texas, EE.UU.) activó un instrumento del IBEX (Interstellar Boundary Explorer o, lo que viene a ser, el Explorador de la Frontera Interestelar) el pasado mes de diciembre.

El IBEX se diseñó para estudiar la frontera interestelar, esa región del espacio a varios miles de millones de la Tierra en la que la presión del viento solar se ve equilibrada por la procedente del resto de la Vía Láctea. El equipo liderado por David McComas estaba arrancando el detector de partículas de alta velocidad del IBEX justo cuando la Luna pasaba por su campo de visión. De repente, el instrumento comenzó a registrar un montón de señales de átomos de hidrógeno de alta velocidad procedentes de la Luna. El instrumento ni siquiera estaba completamente operativo.

Cuando lo estuvo, McComas et al. pudieron determinar que el albedo lunar de ANE, esto es, el porcentaje de protones que la Luna refleja en forma de átomos de hidrógeno de alta velocidad, era del 10% ó 150 toneladas de hidrógeno al año. Las mediciones llevadas a cabo aseguran que los átomos son neutros (un electrón por cada protón) por lo que en sus desplazamientos por el espacio no se ven afectados por los campos electromagnéticos, lo que implica que los albedos ENA de asteroides, las lunas de Marte o las de Júpiter viajan sin perturbaciones hasta los detectores.

Este hallazgo es importante para comprender los procesos universales de rebote y neutralización por parte de superficies complejas. El hecho de que se refleja una parte importante de la radiación incidente como átomos neutros hace a estos ANE una herramienta muy útil para determinar las características de la superficie (rocosa, polvorienta, helada) que los ha reflejado no sólo en nuestro Sistema Solar sino también en planetas extrasolares.

Referencia:

McComas, D., Allegrini, F., Bochsler, P., Frisch, P., Funsten, H., Gruntman, M., Janzen, P., Kucharek, H., Möbius, E., Reisenfeld, D., & Schwadron, N. (2009). Lunar backscatter and neutralization of the solar wind: First observations of neutral atoms from the Moon Geophysical Research Letters, 36 (12) DOI: 10.1029/2009GL038794

Las ventajas de parecerse a papá.

Hay pocas acciones más tontas, desde el punto de vista evolutivo, que criar al hijo de otro macho. En las especies en las que el cuidado paterno de la descendencia es importante pero la paternidad es incierta, la teoría de la evolución sugiere que deberían evolucionar mecanismos de reconocimiento del parentesco genético (coincidencia en el fenotipo, es decir, parecerse en el físico). Se supone que los padres discriminan entre sus propios hijos y los de otros basándose en similitudes en el fenotipo, asignando los recursos en función de ello. Esto es lo que acaba de comprobar en humanos un equipo de la Universidad de Montpellier (Francia) liderado por Alexandra Alvergne. El estudio aparece en el número de julio de Animal Behaviour.

La cuestión que afrontó el equipo de investigadores fue triple: ¿Reconocen los padres humanos características de los niños que revelasen de quien eran realmente hijos? ¿Usan esta información como guía a la hora de repartir la cantidad de atención que dedicaban a cada supuesto hijo e hija? ¿Afectaba la atención prestada as estado de salud general de los niños?

Para dar respuestas a estas preguntas se realizaron varios experimentos entre los habitantes de la región de Sine Saloum (Senegal), en la que la poliginia (un hombre con varias esposas) es común. En sociedades como estas, como en la de cualquier otra especie en la que existen los harenes, los incentivos para los hombres solteros y esposas desatendidas de verse implicados en relaciones secretas son particularmente altos. Este tipo de comportamiento le da a los machos la posibilidad de reproducirse y a las hembras la de distribuir sus apuestas.

Treinta familias con al menos dos hijos con edades entre los 2 y los siete años estuvieron de acuerdo en participar en un estudio con dos partes. A cambio recibieron equipamiento agrícola. En la primera parte, se tomaron fotos de los niños y de sus “padres”. Se seleccionaron más de 100 jurados de pueblos lejanos para que decidieran sobre las fotografías cual de tres hombres posibles era el padre de cada niño.

En la segunda parte del estudio, los investigadores recogieron las camisetas que padres e hijos habían llevado mientras dormían. Estas camisetas se presentaron a 300 jurados de otros pueblos que no habían intervenido en la primera parte del estudio. Trabajos anteriores han confirmado que los padres y su descendencia pueden a menudo emparejarse a partir del olor de las camisetas, por lo que a los jurados se les pidió que compararan el olor de cada niño con el de dos camisetas que habían llevado puestas hombres, y que identificaran de esta manera cual había llevado el padre del niño.

Se realizaron entrevistas individuales con las madres y los padres. Durante las mismas Alvergne y su equipo preguntaron cuantas horas pasaban los padres con cada uno de sus hijos. También hicieron preguntas indirectas, como si la madre recibía dinero del padre para los niños y, si era así, cuanto. A las preguntas se les asignaba un valor numérico, dando 4 puntos a respuestas como “me da un montón de dinero cada semana” y cero a “no me da nada”. Las respuestas asociadas a conflictos en la pareja, uso de drogas y celos recibían puntos negativos. Los resultados se combinaron para crear un Índice de Inversión Parental (IIP) que iba de -4 a +4. También se valoró la situación nutricional de los niños, usando para ello el Índice de Masa Corporal (IMC).

El resultado es que los niños que se parecían y olían como sus padres recibían de hecho mayor inversión parental (cuidado por parte de sus padres en términos de tiempo y dinero) que los que no. Conseguían un valor promedio de IIP de +1. Los que no se parecían u olían como sus padres obtenían de media -1. Se pudo constatar que existía una correlación entre el valor de IIP y estado nutricional del niño. Los niños con valores de IIP de +2 promediaban 16,5 de IMC. Los que obtenían un -2 de IIC obtenían un valor medio de IMC de 15.

El parecerse al presunto padre importa. Y al que diga que las apariencias no importan, después de este estudio, se le podrá responder que no, pero que pueden dejarte hambriento.

Referencia:

Alvergne, A., Faurie, C., & Raymond, M. (2009). Father–offspring resemblance predicts paternal investment in humans Animal Behaviour, 78 (1), 61-69 DOI: 10.1016/j.anbehav.2009.03.019

Fotografía de un recuerdo.

Se han tomado por primera vez imágenes de un recuerdo en el momento de formarse en el cerebro. Un estudio dirigido por Kelsey Martin de la Universidad de California en Los Ángeles (EE.UU.), que se publica hoy en Science, da la primera prueba visual de que cuando se forma un nuevo recuerdo se forman nuevas proteínas en la sinapsis, que incrementan la fortaleza de la conexión sináptica y refuerzan el recuerdo.

Cuando se considera lo que puede estar ocurriendo en el cerebro a nivel molecular se tienen que tener en cuenta dos propiedades esenciales de la memoria. Primero, dado que mucha cantidad de información tiene que ser almacenada durante mucho tiempo tiene que haber algún grado de estabilidad. Para permitir el aprendizaje y la adaptación el sistema también tiene que ser altamente flexible. Por estos motivos la investigación se basa en el estudio de las sinapsis. Constituyen los lugares por los que se unen las redes de neuronas, y su capacidad de adaptación y cambio, lo que se conoce como plasticidad sináptica, se piensa que es la base del aprendizaje y la memoria.

Pero, si las redes neuronales están constantemente cambiando, ¿cómo se mantienen los recuerdos? ¿Cómo se forman? Se sabe de hace tiempo que un paso importante en la formación de la memoria a largo plazo es la “traducción”, o producción de nuevas proteínas localmente en la sinapsis. El equipo de investigadores usó proteínas fluorescentes [en verde pálido en la imagen, indicadas por flechas amarillas], que son fácilmente detectables y se pueden seguir con facilidad en células vivas vía microscopio, para visualizar precisamente el incremento de la traducción a nivel local (vulgo síntesis de proteínas) durante la formación de un recuerdo en las sinapsis sensomotoras de una vieja conocida de cualquiera que haya estudiado algo de neurología, la Aplysia.

Un aspecto importante de esta traducción es que era específica de la sinapsis y requería la activación de la neurona post-sináptica y, por lo tanto, de señales tras-sinápticas, en concreto vía calcio en la neurona motora (la post sináptica en una sinapsis sensomotora). De que sea específica de la sinapsis se deduce que el mecanismo que media en la expresión de los genes (vulgo, de nuevo, síntesis de proteínas) durante la plasticidad neuronal implica la traducción regulada de ARN mensajero localizado en las propias sinapsis estimuladas.

Otro aspecto interesante es que el fenómeno sólo se ha observado en sinapsis químicas.

Somos nuestros recuerdos, son la base de quienes somos, nuestra identidad, y su pérdida, como en el caso de los enfermos de Alzheimer, es devastadora. Por esto es tan importante el descubrimiento que comentamos hoy; porque nos permite comprender cómo se forman las trazas de los recuerdos y establece un método para monitorizar el proceso en tiempo real, lo que sin duda ayudará a un mejor conocimiento de la base neuronal y molecular de la formación de recuerdos…y de su pérdida.

Referencia:

Wang, D., Kim, S., Zhao, Y., Hwang, H., Miura, S., Sossin, W., & Martin, K. (2009). Synapse- and Stimulus-Specific Local Translation During Long-Term Neuronal Plasticity Science, 324 (5934), 1536-1540 DOI: 10.1126/science.1173205

Una mutación, ¿una nueva especie?

La mutación de un solo gen vuelve completamente negro un pequeño pájaro de vientre marrón y este cambio parece alterar el reconocimiento de la especie. Esto podría significar que somos testigos del momento en que una especie comienza a diferenciarse de otra. Las investigaciones aparecerán publicadas en el número de agosto de The American Naturalist.

Ernst Mayr, un famoso biólogo de Harvard, fue el primero en darse cuenta del potencial para la especiación que presentaban los pájaros papamoscas en las Islas Salomón, en le Pacífico sur. Durante los años 40, describió diferencias en el tamaño corporal y en el plumaje de distintas poblaciones de papamoscas (Monarcha castaneiventris, monarca de vientre castaño) y afirmó que existían, al menos, cinco subespecies.

J. Albert Uy de la Universidad de Siracusa (Nueva Cork, EE.UU.) y sus colegas decidieron ver hasta qué punto son diferentes dos de estas subespecies. Una (Monarcha castaneiventris megarhyncus) vive en la isla más grande, Makira, y es la que da a la especie su nombre científico: las partes superiores son negro azuladas y el vientre es castaño [a la izquierda en la imagen]. La (Monarcha castaneiventris uginensis) vive en la pequeña isla de Santa Ana, a unos 10 kilómetros de la anterior, y es completamente negra azulada [a la derecha].

Sabiendo que las ovejas y cerdos negros presentan una mutación en el gen del receptor de la melanocortina-1 (MCR1), los investigadores secuenciaron parte de este gen para 28 pájaros negros y 19 de vientre castaño. Se encontraron pocas diferencias pero sólo una que importase: un cambio genético que alteraba un solo aminoácido en la proteína resultante. Aparentemente este cambio activa permanentemente la proteína de manera que se produce más pigmento negro que marrón. También se pudo verificar que esta variante del gen no está tan asociada al melanismo (negritud) en la población de otra isla (Ugi). Por lo tanto debe haber un mecanismo alternativo para el melanismo en esta isla.

A continuación, los investigadores evaluaron si este cambio de color podría alterar el comportamiento de los pájaros. En concreto investigaron si influía en el reconocimiento de la especie. Pusieron pájaros disecados de ambos colores en los distintos territorios. Los pájaros negros falsos recibieron ataques de los pájaros negros pero indiferencia de los de vientre marrón y viceversa, confirmando de esta forma la hipótesis.

Los investigadores aún deben comprobar directamente si los pájaros negros prefieren parejas negras, un comportamiento que haría que la especie se dividiese, pero investigaciones anteriores indican que al menos algunos pájaros territoriales se basan en las mismas claves para seleccionar pareja que para detectar posibles rivales. Si esto se confirma, entonces la sustitución de un solo aminoácido contribuye a la especiación.

Referencia:

Uy, J., Moyle, R., Filardi, C., & Cheviron, Z. (2009). Difference in Plumage Color Used in Species Recognition between Incipient Species Is Linked to a Single Amino Acid Substitution in the Melanocortin‐1 Receptor The American Naturalist DOI: 10.1086/600084

Moléculas de Rydberg : el inicio de la química ultrafría.

Un nuevo tipo de enlace químico ha sido encontrado experimentalmente. Dicho enlace se ha producido entre dos átomos de rubidio, uno en estado base y otro un átomo de Rydberg. La existencia del potencial necesario para el enlace fue predicha por Enrico Fermi en 1934; la predicción del enlace en sí fue realizada por Chris Greene, Alan Dickinson y Hossein Sadeghpour en 2000. Los resultados obtenidos por Tilman Pfau y sus colaboradores de la Universidad de Stuttgart han aparecido en Nature.

Cuando los astrónomos observan la radiación procedente del espacio encuentran habitualmente una señal correspondiente a una frecuencia de 2,4 GHz (gigaherz). Esta frecuencia corresponde a una transición del hidrógeno entre los niveles electrónicos con números cuánticos principales n=109 y n=108. Para quien haya estudiado algo de química, pero no esté familiarizado con los átomos de Rydberg, pensará que me he vuelto loco al escribir unos valores de n tan descomunales. Para el que no sepa nada de química diremos que el número cuántico principal nos da idea del tamaño de un átomo y que, para el hidrógeno, que tiene un electrón, en su estado base n=1. Los átomos de hidrógeno interestelares son (en un número significativo) átomos de Rydberg.

Un átomo de Rydberg es un átomo excitado con uno o más electrones con números cuánticos principales muy altos. Estos átomos tienen características muy peculiares, entre ellas funciones de onda de los electrones que, bajo ciertas condiciones, se aproximan a las órbitas clásicas (las del átomo de Bohr). El radio de la órbita de estos electrones es proporcional al cuadrado del número cuántico principal, por lo que los átomos de Rydberg son enormes (en términos atómicos) y sus electrones de valencia (exteriores, muy alejados del núcleo), por tanto, son muy lábiles frente a colisiones o campos electromagnéticos.

¿Cómo es posible que algo tan frágil como un átomo de Rydberg sobreviva en el espacio? Debido al vacío y a las bajísimas temperaturas. En la Tierra un átomo de Rydberg se vería ionizado inmediatamente debido al calor. El nuevo enlace químico se ha conseguido en condiciones ultrafrías, muy próximas a las necesarias para obtener un condensado de Bose-Einstein.

Pfau y sus colaboradores han conseguido formar dímeros (compuestos de 2 átomos) de rubidio, en los que uno de los átomos era de Rydberg. El enlace ha sido detectado vía espectroscópica por la medición del estado base vibracional y del primer excitado del dímero Rb(5s)-Rb(ns) .Los números entre paréntesis indican los orbitales que intervienen, siendo el número el cuántico principal; en el caso del átomo de Rydberg de Rb n ha oscilado entre 34 y 40.

El mecanismo subyacente al enlace es la dispersión electrónica de baja energía de los electrones de Rydberg por parte de un átomo polarizable en su estado base. Este proceso de dispersión cuántica puede generar una atracción que es capaz de unir el átomo de Rb en su estado base con el Rb de Rydberg en un punto localizado de la función de onda de éste.

El tamaño del dímero descubierto es enorme: 80nm, mayor que un ribosoma celular.

El grupo de Pfau ha conseguido el dímero más estable y simple de los que Greene y compañía predijeron. Otros más exóticos, llamados trilobites (en la imagen) y mariposas, son lo próximo a conseguir. Se ha abierto la puerta a la química ultrafría.

Referencia:

Bendkowsky, V., Butscher, B., Nipper, J., Shaffer, J., Löw, R., & Pfau, T. (2009). Observation of ultralong-range Rydberg molecules Nature, 458 (7241), 1005-1008 DOI: 10.1038/nature07945

Polvo antes de que el Sol fuese.

El análisis de granos en el meteorito Murchison contradice las estimaciones teóricas del tiempo de vida del polvo interestelar, según informa el equipo internacional de investigadores liderados por Philip Heck de la Universidad de Chicago (Estados Unidos) en el número del 20 de junio del Astrophysical Journal.

El lapso de tiempo entre la formación de los granos de polvo anteriores al sistema solar en los flujos estelares y su incorporación a los sólidos del sistema solar primitivo no está bien delimitado. Sin embargo, el conocimiento de este lapso de tiempo es fundamental para comprender los procesos a los que están sometidos estos granos en el medio interestelar y la propia formación del sistema solar.

En esta línea, Heck y un equipo internacional de investigadores han analizado los granos de carburo de silicio del meteorito Murchison (véase, aparte del enlace a wikipedia, nuestra “Nucleobases extraterrestres”).

Aunque es un compuesto escaso en la Tierra, el carburo de silicio (SiC) es bastante común en el espacio. Es una forma común de polvo interestelar que se forma en las proximidades de estrellas ricas en carbono. El carburo de silicio encontrado en el espacio y en los meteoritos tiene la estructura cristalina del diamante, y casi la misma dureza. El 99% de los granos de carburo de silicio se originan en las estrellas ricas en carbono de la rama asintótica gigante.

Análisis anteriores de los granos de carburo de silicio del meteorito Murchison han revelado una proporción isotópica anómala, lo que indica que tiene su origen fuera del sistema solar. Estrellas moribundas parecidas al sol fueron el origen de estos granos hace más de 4.500 millones de años, antes del nacimiento del sistema solar.

Heck y sus colegas han analizado la concentración de neón en 22 granos de carburo de silicio del Murchison. Dicha concentración es consecuencia de la exposición a los rayos cósmicos, por lo que nos da idea del tiempo que el grano ha pasado en el medio interestelar.

17 de los 22 granos habrían pasado entre 3 y 200 millones de años en el espacio, mucho menos de los 500 millones que daban las estimaciones teóricas. Sólo 2 granos daban edades de este orden y otros 2 no dieron resultados fiables.

Esta distribución de edades podría explicarse por un período de estallido de estrellas 1.000 o 2.000 millones de años antes del nacimiento del Sol.

Referencia:

Heck, P., Gyngard, F., Ott, U., Meier, M., Ávila, J., Amari, S., Zinner, E., Lewis, R., Baur, H., & Wieler, R. (2009). INTERSTELLAR RESIDENCE TIMES OF PRESOLAR SiC DUST GRAINS FROM THE MURCHISON CARBONACEOUS METEORITE The Astrophysical Journal, 698 (2), 1155-1164 DOI: 10.1088/0004-637X/698/2/1155

Sobre la longevidad de los planetas con vida.

Dentro de un millón de años la Tierra se habrá vuelto inhabitable. El incremento constante de la luminosidad del Sol hará que la erosión de origen biológico de los silicatos reduzca la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera (como indicaron Lovelock y Whitfield ya en 1982). La desaparición del dióxido de carbono implica la desaparición de las plantas fotosintéticas que lo usan como nutriente. Los océanos se evaporarán. Toda la vida terminará desapareciendo. O no, si tienen razón los investigadores del Instituto de Tecnología de California (más conocido como Caltech). Según un artículo que apareció el día 1 de este mes en Proceedings of the National Academy of Sciences existe un mecanismo que puede duplicar la esperanza de vida en el planeta: la propia vida. Este mecanismo también aumenta las probabilidades de encontrar formas de vida avanzada en el universo.

Las temperaturas en la superficie de la Tierra son una consecuencia directa del hecho de tener una atmósfera con una composición en la que intervienen gases que impiden que la radiación infrarroja (vulgo el calor) escape al espacio. Esto es lo que se conoce como efecto invernadero. El vapor de agua, el dióxido de carbono y el metano (los gases de efecto invernadero) son cruciales para la vida. Sin ellos la Tierra recibiría unas radiaciones excesivas durante el día y por la noche perdería todo el calor. Actúan como el aislante de una casa.

Conforme el Sol ha ido madurando a lo largo de de los últimos 4.500 millones de años se ha vuelto más brillante y más caliente, incrementando la cantidad de radiación solar que recibía la Tierra y, a la par, las temperaturas en la superficie. En este período la Tierra ha visto reducida la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera (la presión actual de dióxido de carbono en la atmósfera es dos mil veces menor que la que había hace 3.500 millones de años), compensándose de esta manera el incremento de temperaturas. Pero nos estamos acercando al punto donde este mecanismo deja de ser viable por falta de dióxido de carbono.

Un mecanismo alternativo para compensar el incremento de temperaturas es reducir la presión atmosférica global. Usando la analogía del aislante de la casa, hacemos que sea menos compacto, permitiendo que haya más huecos por los que pueda escapar la radiación infrarroja.

¿Qué mecanismo proponen los autores para disminuir la presión atmosférica? La idea es la siguiente: las células de los seres vivos incorporan nitrógeno cuando crecen y se entierra con ellos cuando mueren. La biosfera está retirando de hecho nitrógeno molecular del aire por esta vía. El nitrógeno constituye aproximadamente un 78% del aire. De esta manera calculan los investigadores liderados por King-Fa Li, la Tierra podría seguir siendo habitable 1.300 millones de años más.

Si la hipótesis es cierta la presión atmosférica debe ser ahora menor de lo que ha sido a lo largo de la historia de la Tierra. La prueba puede venir del estudio de las burbujas de gas de las lavas volcánicas. A mayor presión atmosférica menores son las burbujas que se forman y viceversa.

Esta hipótesis tiene sus implicaciones para la búsqueda de inteligencia extraterrestre. Si es cierto el mecanismo para la Tierra, puede ser extrapolable a otros planetas fuera del Sistema Solar. La duración de la existencia de una civilización avanzada es una de las variables de la ecuación de Drake [sugerimos leer “Sobre la probabilidad de detectar inteligencia extraterrestre”]. Doblar la duración de la biosfera terrestre supone doblar la probabilidad de que la inteligencia sobre la Tierra sea detectada por otras civilizaciones y a la recíproca, incrementa la probabilidad de encontrar otras civilizaciones.

Referencia:

Li, K., Pahlevan, K., Kirschvink, J., & Yung, Y. (2009). Atmospheric pressure as a natural climate regulator for a terrestrial planet with a biosphere Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.0809436106