Técnicas de investigación en Psicología Fisiológica

Antes se ha visto que la Neurociencia y la PF están íntimamente relacionadas. De todas formas, el objeto tradicional de estudio de la primera es la morfología y el funcionamiento del sistema nervioso. Por su parte, el objeto de estudio de la PF es la conducta. Es aquí donde se produce la coincidencia al incluir la Neurociencia, también como objeto de estudio, la mente y la conducta. En consecuencia, todas las técnicas que se utilizan en la Neurociencia, y las distintas especialidades de la misma (neuroanatomía, neurofisiología, neuroquímica, neurofarmacología, neuroendocrinología, neuroinmunología, etcétera) son susceptibles de ser utilizadas por la PF. De hecho, cuando a estas especialidades de la Neurociencia les interesa aclarar aspectos neuroquímicos, neuroendocrinos, neurofarmacológicos o neuroinmunológicos de la conducta aparecen otras especialidades: las «psico», psicofarmacología, psiconeuroendocrinología, psicoinmunología, etcétera. La PF no es una «psico» más, ni es la «psico» que le correspondería a la neurofisiología. La PF es el núcleo central de los estudios de la conducta puesto que aborda la explicación neurobiológica de todos los procesos emocionales, motivacionales y cognitivos, lo que hace de ella una disciplina molar mientras que todas las «neuro» de la Neurociencia son reduccionistas y, por tanto, moleculares.

El planteamiento anterior permite ver lo extenso y complejo que es tratar de las técnicas en PF. Incluso abordarlas por las especialidades de la Neurociencia requeriría varios volúmenes. Por tanto, en primer lugar, lo que importa al estudioso de la PF es conocer la estrategia global de los diseños experimentales. Esta estrategia de la PF es muy sencilla, el cerebro puede ser, según el diseño, variable independiente o dependiente con respecto a la conducta. A lo largo del texto, el lector debe distinguir qué experimentos de PF se ubican en una de estas dos categorías.

El segundo objeto de esta sección es subrayar que el avance tecnológico y la combinación de conocimientos de las más variadas especialidades de todos los campos del conocimiento es lo que se empieza a notar en la actualidad y va a dirigir la génesis de nuevas técnicas en el futuro.

Aunque el tema de las técnicas es complejo, la mayoría de ellas se pueden agrupar en una de estas cuatro clases: lesión, estimulación, registro eléctrico y cuantificación de sustancias (neurotransmisores, hormonas, moléculas de cualquier tipo, etcétera). La utilización de las dos primeras se remonta al siglo XIX, las dos siguientes se comienzan a utilizar a partir del primer tercio del siglo pasado (Hans Berger, 1873-1941). Puede llamar la atención que la clase de técnicas no haya variado a lo largo de más de cien años. Sin embargo, lo que sí se ha modificado es la precisión de todas ellas debido a la incorporación de hallazgos y desarrollos tecnológicos de los campos de la física, la química, la ingeniería y, más recientemente la informática.

Generalmente estos adelantos han estado dirigidos a la mejora del diagnóstico y tratamiento de enfermedades cerebrales y también han sido útiles para la investigación en PF.

Un ejemplo ilustrativo de cómo un avance instrumental modifica el panorama de la investigación e inicia una cadena de acontecimientos que genera nuevos equipos, y el desarrollo de nuevas técnicas, se puede apreciar en el aparato de estereotaxis. Hasta principios del siglo XX las lesiones cerebrales se realizaban abriendo toda la bóveda craneal y actuando directamente sobre el cerebro para lesionar tejido, la mayoría de las veces utilizando un sistema de succión del tejido cerebral por medio de la creación de vacío. En 1903 Robert H. Clarke comenzó a colaborar con el neurocirujano Victor Horsley (1857-19016), ambos del University College de Londres, y desarrollaron un aparato que denominaron «instrumento estereotáxico rectilíneo» (conocido como aparato de Horsley-Clarke o aparato de estereotáxico) que describieron en 1908. Este aparato cambió por completo la forma de acceso al cerebro porque permite acceder de forma precisa a cualquier estructura cerebral, es mínimamente invasivo y no es necesario levantar toda la bóveda craneal para acceder 8 al cerebro porque con un torno se realizan agujeros por los que se introducen los electrodos de lesión o de estimulación o las pipetas. El aparato de estereotaxia fue el instrumento que revolucionó la investigación en la Psicología Fisiológica y, en la clínica, las intervenciones en Neurocirugía.

La cirugía estereotáxica precisa de dos elementos, el aparato estereotáxico y el atlas estereotáxico. El aparato estereotáxico está concebido para fijar la cabeza del animal o la persona y poder intervenir sobre el cerebro basándose en tres coordenadas (los ejes x, y, z) que proporcionan la posición de cualquier estructura con respecto a un eje lateral (x), dorso-ventral (y) y rostrocaudal (z). Los atlas de estereotaxis proporcionan imágenes seriadas del cerebro con las coordenadas de cada estructura. Con una mínima acción invasiva, bajo anestesia general, se puede acceder a cualquier estructura cerebral para producir lesiones, administrar sustancias, recoger la actividad eléctrica, la producción de neurotransmisores o cualquier metabolito que interese estudiar. Como es lógico, los aparatos de estereotaxis se fabrican para cada especie porque el tamaño y la forma de la cabeza son diferentes.

En la experimentación animal, después de realizar la lesión o estimular eléctrica o farmacologicamente el cerebro se sacrifica al animal, se extrae el cerebro, y con técnicas histológicas se localiza la señal que deja la posición del electrodo, o la pipeta, para saber si la posición de éstos era correcta. Como es obvio, esto no es posible en humanos.

El desarrollo técnico de la cirugía estereotáxica ha estado ligado a la neurocirugía y a la necesidad absoluta de precisión para alcanzar cualquier región del cerebro humano. A partir de los principios del aparato de Horsley-Clarke, Spigel y Wycis desarrollaron un nuevo instrumento para la especie humana a finales de los años cuarenta del siglo pasado. Desde esa época se produce una convergencia entre la radiología y la estereotaxia, a la que más recientemente se ha agregado la informática. El paso definitivo en la estereotaxia se debe a la colaboración de Trent Well (ingeniero biomédico), Russell Brown (médico y matemático) y Theodore Roberts (neurocirujano) que crearon el sistema estereotáxico BRW que, inicialmente, utilizaba la tomografía axial computarizada (TAC) para guiar la cirugía estereotáxica. Este sistema proporciona un número infinito de posiciones para alcanzar un punto en el espacio definido por los ejes x, y, z. Como las imágenes obtenidas por TAC, resonancia magnética (RM) o tomografía por emisión de positrones (TEP) son bidimensionales, para que puedan guiar un sistema estereotáxico es preciso conver tirlas a un sistema tridimensional. La aportación de Brown consistió en diseñar un dispositivo, denominado localizador N (por su forma), que realiza la conversión La cirugía estereotáxica en humanos se utiliza para muchos fines (biopsias, extirpar tumores primarios o metástasis, tratamiento de malformaciones arterio-venosas, etcétera). Posteriormente, estos pacientes pueden ser estudiados para comprobar si los procesos conductuales están afectados después de la lesión. Que la lesión sea precisa no solo es necesario para el tratamiento sino también es muy importante para interpretar los resultados conductuales en estudios en los que en humanos el cerebro es la variable independiente. Gracias a todos estos desarrollos, en las últimas décadas, se pudo abordar el estudio de las funciones cognitivas.

Se ha visto cómo el avance tecnológico de la radiología, la informática y la neuroimagen mejoran el diseño de aparatos e instrumentos utilizados para el tratamiento de enfermedades y la investigación del cerebro.

La misma capacidad de invención la observamos con respecto a las técnicas de lesión que se utilizan por medio de la cirugía estereotáxica. Los primeros estudios realizados en animales utilizaban la electricidad para lesionar distintas regiones cerebrales y fueron eficaces para determinar qué estructuras podrían estar involucradas en el control de determinados comportamientos. Sin embargo, estos primeros ensayos tenían limitaciones considerables y, en ocasiones, llevaron a conclusiones que posteriormente tuvieron que ser matizadas y completadas. Cuando se introdujo la radiofrecuencia para producir la lesión mejoró el control del tamaño de la misma. No obstante, la destrucción de una estructura cerebral provoca también la desaparición de las fibras de paso y, en ocasiones, de grupos celulares próximos. Desarrollos posteriores permitieron ir refinando las técnicas, lo que tuvo como consecuencia que el nivel de detalle del funcionamiento cerebral fuera cada vez más preciso. Así, la utilización de sustancias químicas neurotóxicas, como el ácido iboténico, aplicadas al tejido cerebral dañan selectivamente determinadas neuronas sin afectar las fibras de paso, lo que permite extraer conclusiones más fiables sobre los efectos de las lesiones. El empleo de neurotoxinas que destruyen de forma selectiva células que expresan algún tipo de neurotransmisor también ha supuesto un avance en el campo de las técnicas de lesión. Por ejemplo, utilizando el aparato estereotáxico se puede infundir 6-hidroxi-dopamina en la sustancia negra y conseguir la destrucción de las vías dopaminérgicas. Otro avance en las técnicas de lesión consistió en producir «lesiones transitorias» inyectando pequeñas cantidades de alguna sustancia anestésica en alguna región del cerebro que se pretendía inhibir temporalmente.

Finalmente, otro ejemplo de avance técnico lo proporcionan las técnicas optogenéticas. Estas combinan la genética, las propiedades de la fibra óptica y la utilización de la luz para inhibir o activar grupos de neuronas. Boyden y colaboradores publicaron en 2005 los resultados de sus investigaciones dando a conocer los fundamentos de esta técnica, basada en añadir al ADN de grupos concretos de neuronas genes procedentes de algas verdes unicelulares que van a expresar en la membrana neuronal canales iónicos cuya conductancia depende de que se iluminen con luz de una determinada longitud de onda. Esa preparación permite controlar de forma muy precisa la actividad del grupo de neuronas en cuyas membranas se encuentren los canales iónicos sensibles, que son estimulados o inhibidos mediante la luz guiada por cables de fibra óptica.

La importancia de esta técnica radica en su capacidad de resolución espacio-temporal. Cuando se utiliza la estimulación eléctrica para activar o inhibir un grupo de neuronas el límite espacial de la estimulación es impreciso. Una forma más selectiva de estimular o inhibir una región cerebral es la infusión de fármacos o alguna sustancia química que tenga un efecto agonista o antagonista sobre los receptores de las neuronas. Sin embargo, este procedimiento produce sus efectos de forma lenta y no coincide con la rapidez con la que trabajan los circuitos neuronales y, en consecuencia, su resolución temporal es pobre. Las técnicas optogenéticas superan estas dificultades, ya que la observación en los experimentos es en las mismas escalas de tiempo de milisegundos en que las neuronas se activan o se desactivan en condiciones fisiológicas. La optogenética supera bastantes de las limitaciones de las técnicas clásicas de lesión y estimulación eléctrica o química del cerebro en animales. Dado el poco tiempo que ha transcurrido desde su puesta a punto, y los resultados que se han obtenido hasta la fecha, expertos en esta área están de acuerdo en que futuros desarrollos de esta técnica podrán abrir nuevas aplicaciones que permitirán profundizar en la investigación sobre las posibles funciones de las diferentes redes neurales que controlan la conducta (Boyden et al, 2005; Deisseroth, 2015; Krug et al, 2015; Morgado, 2016).

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