[275]

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ

hortensia gonzález gómezy jorge n. quevedo durán

Los movimientos están coordinados por redes de neuronas en todos los animales, vertebrados e invertebrados. Los circuitos neuronales que controlan los movimien-tos tienen rasgos de organización comunes en los diferentes organismos, a pesar de las obvias diferencias en complejidad y organización anatómica.

Como sabemos, los organismos se mueven en función de las condiciones de su entorno, requieren estar interpretando continuamente los estímulos del ambiente, la localización de los objetos, de otros seres, las condiciones del terreno por donde se desplazan, ajustar su sistema visual, etc. De modo que el procesamiento de la información sensorial constituye un elemento fundamental de la integración de las respuestas motrices, sobre todo para los organismos con un repertorio de conduc-tas complejas. Deben integrar información sensorial de diferentes tipos, activando secuencias precisas de comandos que aseguren un desplazamiento eficaz, ya sea para acercarse, alejarse, plegarse, alargarse, etcétera.

Veremos en este capítulo qué son los Generadores Centrales de Patrones (cpg por sus siglas en inglés). Desde luego los cpg más fundamentales controlan las res-puestas reflejas, como la deglución, la tos, etc. Otros cpg son esenciales para la vida, como el que controla la respiración; otros más están inactivos en condiciones basales y sólo se activan ante señales características, como es el caso de los circuitos de la locomoción.

Otro tipo de cpg, innatos, controlan la expresión corporal de ciertas emociones en los mamíferos más desarrollados, o el cpg que coordina los movimientos sacádi-cos de los ojos. Todos ellos están sujetos a modulación desde otras vías, y en el caso de organismos complejos, pueden regularse con mayor o menor detalle de manera voluntaria. Los cambios posturales que son detectados durante el desarrollo del propio movimiento, también constituyen una importante fuente de retro-regula-ción de los cpg, pues intervienen en la regulación de la duración de las distintas fases de un movimiento.

De forma inicial podemos plantear que para diferentes categorías de movimien-tos existen diferentes sistemas innatos de control, que se van adaptando a condicio-nes particulares por vía de la experiencia y el entrenamiento. Es decir, las estructuras básicas se condicionan y emplean para aprender secuencias motrices muy precisas y complejas, que al final van a dar lugar al repertorio conductual característico de una especie, incluidas sus habilidades para el canto, el habla, el vuelo, etcétera.

Entre las diferentes estrategias de control de que dispone el sistema nervioso, re-visaremos desde luego las que tienen que ver con su posibilidad de corregir errores o hacer ajustes a un movimiento mediante la retro-regulación sensorial de diferentes

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tipos, pero también mencionaremos la capacidad de anticipación o predicción de que debe echar mano el sistema nervioso, cuando los movimientos deben ajustar-se muy rápidamente, sin tiempo para procesar otra información concurrente. Por ejemplo, algunas especies han incorporado sistemas de amortiguamiento mecánico entre sus músculos y tendones, que les permiten momentáneamente compensar obstáculos. En otros casos, la predicción se hace con base en la información sen-sorial disponible hasta justo antes de iniciar el movimiento, como cuando quieres detener un tiro de castigo en el futbol, como cuando una rana lanza su lengua sobre un chapulín, o cuando dices sin querer una palabra por otra parecida.

Los estudios que han permitido entender la organización de estos cpg, se inicia-ron de manera paralela en los invertebrados y en los vertebrados, usando diversas técnicas y procedimientos. Desde luego el nivel de complejidad del sistema nervioso de los mamíferos ha impuesto restricciones metodológicas importantes, pero a la vez ha impulsado otros enfoques, como los que se basan actualmente en la image-nología con técnicas de física atómica, que si bien han aportado información rele-vante acerca de los patrones de activación de distintas regiones cerebrales en tareas específicas, tienen todavía un bajo nivel de resolución.

Para el estudio detallado de los mecanismos que subyacen al control neuronal de las conductas motrices, los modelos experimentales más socorridos son organis-mos invertebrados comparativamente sencillos, con sistemas nerviosos de cientos o miles de células, como los de la sanguijuela, acociles, langostas y cangrejos, cucara-chas, moluscos nudibranquios como la Aplysia, Tritonia y Cliona; o bien de vertebra-dos prototípicos como la lamprea u organismos en diferentes estados embrionarios, principalmente rana o rata neonata.

La posibilidad de extender o generalizar los resultados obtenidos en los inverte-brados a los sistemas de control motor de los vertebrados ha recorrido un sinuoso camino, es común todavía reclamar una cierta exclusividad para los organismos más complejos estructuralmente hablando. Ahora sabemos que los mecanismos funda-mentales de control, los neurotransmisores, neuromoduladores, muchos de los ca-nales iónicos y sus vías de regulación, son comunes a los dos grupos de animales. Veremos en seguida cómo se ha logrado esa evidencia.

Entre las ideas adquiridas más recientemente, revisaremos la noción de que el sistema nervioso de un organismo no emplea de manera exclusiva un circuito de neuronas, sino que existe una reconfiguración dinámica de las poblaciones neuro-nales. Es decir, un mismo grupo de neuronas puede formar parte del circuito mo-tor que controla los movimientos peristálticos durante la alimentación, y ese mismo grupo, o algunos de sus elementos puede formar el circuito motor de huida en otro momento. Esto es posible gracias a la acción de los neuromoduladores.

Otro concepto desarrollado recientemente por Eve Marder y sus colaboradores, es el de Resilencia, la capacidad de un grupo de neuronas para producir de mane-ra robusta una misma señal de comando, a pesar de que se modifiquen o varíen las propiedades de sus canales iónicos individuales. Resultando que la propiedad relevante, la que se preserva de distintas maneras, es el patrón de actividad, no el número de canales iónicos activos o que median dicho patrón de actividad.

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 277

i. una perspectiva histórica1

Desde principios del siglo xx anatomistas como Richard goldschmidt y gustav Retzius, estudiando el sistema nervioso del platelminto Ascaris y de la sanguijuela Hirudo respectivamente, notaron que el número de neuronas en cada ganglio era constante de un ganglio a otro y de un animal a otro. Apoyado en observaciones como ésta y en otras evidencias funcionales, C.A.g. Wiersma propone el concepto de neurona identificada, o sea una neurona que es reconocible en una especie por su anatomía y por sus características funcionales. gracias a la posibilidad de identi-ficar neuronas se han podido estudiar las conexiones que establecen entre ellas, y se han analizado los circuitos responsables de diferentes patrones conductuales. Éste fue un paso fundamental para poder estudiar los circuitos neuronales.

Circuitos y conductas elementales

Los reflejos y las posturas son respuestas graduales cuya intensidad y(o) duración están determinadas por la intensidad del estímulo, en ellas participan un número relativamente pequeño de neuronas. En cambio las conductas rítmicas exigen un número mayor de elementos con interacciones más complejas, son patrones más específicos, que caen en la clasificación de Lorenz y Timbergen de “patrones de acción fija”.

Los patrones de acción fija, muestran tres características: a] son altamente selectivos a cierto tipo de estímulos;

figura 9.1. estructura ganglionar del sistema nervioso de los invertebrados. se mues-tra como ejemplo el sistema nervioso del acocil Procambarus clarkii.

1 Basada en el capítulo 9 de la primera edición en un solo volumen de este libro (México, siglo XXI, 1998).

Gangliosabdominales

GangliostorácicosGanglio

cerebroide

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b] su umbral puede variar dependiendo de la “motivación”; la ausencia prolon-gada de estímulos desencadenantes puede ocasionar su iniciación espontánea y después de su ejecución el umbral aumenta;

c] son conductas “todo o nada”, de manera que una vez que se han desencadena-do, la sucesión de eventos continúa hasta su consumación.

¿has observado alguna vez con detenimiento a una sanguijuela? su conducta puede llegar a ser fascinante. El patrón de nado, la exploración de la piel de otro animal y la selección de la siguiente conducta: ¿es fuente de alimento o se trata de un congénere?, ¿se puede morder?, ¿podría enroscarse con él en una intrincada conducta de cópula?

El sistema nervioso de la sanguijuela está compuesto por una cadena de 11 gan-glios intermedios con alrededor de 400 neuronas cada uno, cuya disposición y fun-ción son estereotipadas de un ganglio a otro (figura 9.2). Recordemos que los siste-mas nerviosos de invertebrados utilizan los mismos transmisores que los mamíferos, más aun, que es prácticamente imposible que un especialista distinga los registros obtenidos de neuronas de sanguijuela, de cucaracha, de rata o de humano. Por esta razón entre otras, la información obtenida de invertebrados acerca de los circuitos generadores del nado, la marcha, o el vuelo ha sido útil para entender el funciona-miento de organismos más complejos.

figura 9.2. ganglio intermedio de la sanguijuela hirudo medicinalis. Los somas neuro-nales de apariencia esférica muestran una distribución estereotipada que se repite de un gan-glio a otro. Las células mecano-sensoriales t, p y n, que registran tacto, presión y estímulos nociceptivos aplicados a la piel, se encuentran señaladas con sus respectivas letras. También se muestran las motoneuronas ae, que participan en el reflejo monosináptico de contracción anular, y las neuronas de Retzius, que participan en la modulación del nado. Abajo se mues-tran registros intracelulares representativos de cada tipo neuronal.

Conectivos

Raíces

250 µm

40 ms

mV

40

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 279

Los reflejos y el control de la postura

Los reflejos son movimientos simples, rápidos y estereotipados, producidos en res-puesta a la estimulación sensorial. En el reflejo más sencillo intervienen sólo dos neuronas y un músculo. La primera neurona es la sensorial, que responde a la es-timulación. La frecuencia con la que responde es proporcional a la intensidad del estímulo, en este caso mecánico, el estiramiento muscular. La neurona sensorial se conecta con una neurona motriz a la que excita, y que a su vez genera impulsos que ocasionan la contracción muscular. A este reflejo se le llama reflejo monosináptico, ya que sólo existe una sinapsis entre las dos neuronas participantes.

El reflejo monosináptico es un mecanismo de control primitivo, existente ya en los invertebrados. Volviendo a la sanguijuela, la figura 9.3 muestra que las terminacio-nes de las neuronas sensibles al tacto (t), a presión (p) y a estímulos nociceptivos (N, dañinos) de cada ganglio inervan la piel, y a nivel central se conectan con las neuronas motoras que inervan los músculos erectores anulares. Por esta razón se las conoce como motoneuronas ae (annular erector). El contacto con la piel, la esti-mulación intracelular, con un micro-electrodo, de las neuronas sensoriales o de las motoneuronas ae induce la contracción anular en el segmento correspondiente.

En mamíferos —incluyendo al humano—, los reflejos monosinápticos participan en el control de la postura. A las neuronas sensoriales que participan en ellos se las conoce como aferentes Ia. Las aferentes Ia inervan los husos musculares, sensores que responden al estiramiento del músculo con una ráfaga de impulsos de frecuen-cia proporcional al estiramiento. Las aferentes Ia llegan a la médula espinal por las astas dorsales, donde se conectan monosinápticamente con las motoneuronas. Éstas, al ser estimuladas, producen la contracción del músculo, reduciendo el esti-ramiento. Cabe mencionar que los reflejos monosinápticos pueden ser modulados por influencias provenientes del resto del sistema nervioso, y que esto ocurre tanto en la sanguijuela como en el humano.

figura 9.3. el reflejo monosináptico de erección anular en la sanguijuela. a] Repre-sentación esquemática de la erección anular en respuesta a estímulos mecánicos aplicados a la piel. b] El circuito para el reflejo monosináptico. Los tres tipos de neuronas mecanosen-soriales. t, p y n, están conectados monosinápticamente a las motoneuronas ae. Las células t forman sinapsis eléctricas, las células p forman sinapsis mixtas, químicas y eléctricas, y las células N forman sinapsis químicas con las motoneuronas ae, que a su vez producen la con-tracción de los músculos erectores anulares. c] Respuestas monosinápticas de las motoneu-ronas ae ante la estimulación de las neuronas sensoriales n, p y t.

C pulsos simples

n p t

ae aeae

50mV

B

músculo

ae

n

p

t

erección anular

A

280 hortensia gonzález gómez / jorge n. quevedo durán

Conductas episódicas y neuronas de comando

las conductas episódicas se componen de movimientos simples y continuos. a las neuronas que producen estas conductas se las conoce como neuronas de comando y fueron descritas por primera vez en el acocil por C.a.g. Wiersma en 1938. la esti-mulación de las neuronas de comando es necesaria y suficiente para que ocurra todo un patrón conductual. mientras los reflejos monosinápticos son respuestas gradua-les, cuya amplitud es determinada por la intensidad del estímulo, las conductas epi-sódicas son conductas binarias, “todo o nada”. Por esta característica, las conductas episódicas entran en la categoría de patrones fijos de acción.

un ejemplo es la respuesta de escape del acocil. la agitación de un objeto en el campo visual de un acocil produce la contracción de los músculos flexores de las partes media e inferior de la cola. esto ocasiona el nado hacia atrás. sin embargo, cuando uno golpea levemente la región abdominal genera una contracción de los músculos flexores en la parte superior del abdomen, produciendo una maroma ha-cia adelante (Wine y Krasne, 1972; fig. 9.4). Cuando el reflejo de escape es evocado visualmente, se activan neuronas visuales detectoras de agitación que responden

figura 9.4. respuestas conductuales del acocil a la estimulación táctil. a] la estimu-lación en el abdomen induce una maroma al frente. b] la estimulación de la región cefálica induce el nado hacia atrás.

BA

ms

0

10

20

30

40

50

60

ms

0

10

20

30

40

50

60

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 281

al movimiento generando ráfagas de impulsos con una frecuencia proporcional a la de la agitación. Varias neuronas detectoras de agitación responden a la vez y posiblemente todas ellas se conectan con la misma interneurona, o sea, hay conver-gencia. También es posible que haya divergencia, es decir, que una sola neurona detectora de agitación establezca contactos con varias interneuronas.

La información visual llega a la cadena abdominal, donde la vía generadora de la flexión de la cola ha sido muy bien estudiada. Por los nervios conectivos abdominales viajan dos pares de axones gigantes: los axones gigantes mediales y los axones gigan-tes laterales (fig. 9.5). Los gigantes mediales responden a la estimulación visual y su activación produce el nado hacia atrás. Los gigantes laterales responden a estímulos táctiles en la parte caudal del animal y ocasionan la maroma hacia adelante. Existe otra vía que produce la flexión de la cola y que no depende de los axones gigantes. A este sistema se le llama “no gigante”, y tiene como características ser más lento y responder a estímulos como sostener al animal por los costados. Las respuestas del sistema no gigante son graduales y le permiten al animal girar y rotar durante el nado. Mientras que los axones gigantes mediales y los axones gigantes laterales dan lugar a respuestas “automáticas”, podría decirse que el sistema no gigante da lugar a respuestas “voluntarias”. Tanto los axones gigantes como el sistema no gigante inervan directamente a las neuronas motoras y originan el nado hacia atrás.

Además del reflejo de escape, el acocil tiene otros reflejos y posturas que pueden ser reproducidos artificialmente mediante la estimulación selectiva de neuronas de comando. La estimulación de algunas de estas neuronas produce posturas defensi-vas, que consisten en la elevación de los quelípedos y la flexión de la cola, mientras que la estimulación de otras neuronas de comando produce diferentes posturas de la cola. En estas posturas la duración y la frecuencia de estimulación definen la dura-ción de la respuesta conductual y el grado de flexión de la cola, respectivamente.

figura 9.5. el circuito neuronal del reflejo de escape del acocil. a1 y a2]. Localización anatómica de los axones en la cadena abdominal. mg y lg representan los laterales gigantes y los mediales gigantes respectivamente. b] El circuito neuronal para el nado hacia atrás.

B

mg

lg

Aferentes Inter-neuronas

Neuronascomando

Moto-neuronas

Química

Eléctrica

Nado atrás

Común

Nado de frenteA2

A1 mg

lg

282 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

La huida en peces y anfibios es también controlada por una neurona de comando. La estimulación del costado del animal produce la activación de la célula de Mau-thner. Ésta es una neurona de comando que produce la flexión de los músculos contralaterales a la procedencia del estímulo aversivo, dando como resultado una flexión en forma de C que aleja al animal del estímulo (fig. 9.6). Esta conducta, llamada de “sobresalto”, es equivalente al reflejo de escape del acocil y, como aquél, requiere un patrón motriz bien organizado. La célula de Mauthner reúne las carac-terísticas para ser clasificada como neurona de comando, ya que su activación es una condición necesaria y suficiente para que se genere la conducta de sobresalto, y un solo impulso generado por ella puede producir la máxima contracción muscular en el costado contralateral del animal.

Circuitos de comando

Estudios realizados en mamíferos sugieren que las neuronas de comando han sido sustituidas por circuitos de comando, que en teoría tienen un funcionamiento equi-valente, aunque requieren un número mucho mayor de elementos. En primates se ha supuesto que en la parte posterior de la corteza parietal asociativa hay una región que contiene un sistema de comando para la exploración manual y visual del espacio extraindividual inmediato.

En una serie de experimentos que dieron lugar a esta idea, Vernon Mountcastle y sus colaboradores encontraron correlación entre la actividad neuronal y una con-ducta motora específica, en monos mantenidos con cierta libertad de movimientos. Un tipo de neuronas de las áreas 5 y 7 que se denominan de proyección del brazo y manipulación de la mano, descargan a altas frecuencias justo antes de que el animal estire el brazo para obtener una recompensa, y llegan al máximo de su acti-vidad durante la máxima tensión muscular. sin embargo, las mismas neuronas no responden a la estimulación sensorial, ni tampoco durante la generación de otros

figura 9.6. la conducta de sobresalto en peces. a] El estímulo se da al tiempo cero, el animal inicia una conducta que lo aleja de éste. b] Localización de la célula de Mauthner en una vista superior del pez: M. c] El circuito que media la conducta de sobresalto. M, neurona de Mauthner; r, receptor sensorial; Mn, motoneurona; Mu, músculo; gc, célula ganglionar.

A0

5

10

15

Tiem

po

(ms)

B

M

C M

M

Mn

Mu

Grr

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 283

movimientos, aun cuando requieran el uso de los mismos músculos. De ahí que se haya propuesto que estas neuronas son comandos para la exploración manual del espacio que rodea al animal.

En contraste con las neuronas de comando en crustáceos y peces, el sistema de comando de los primates no media salidas conductuales simples, y su funciona-miento es bastante más complejo, ya que depende de la motivación y de la situación particular en que se encuentre el animal. si la recompensa ha sido abundante y el animal está saciado, las neuronas se habitúan rápidamente.

Los Generadores Centrales de Patrones

¿Cómo coordina sus decenas de patas un miriápodo?, ¿necesitará representar la posición de cada una?; ¿cómo regula un molusco las ondulaciones de su manto para nadar?

Como se mencionó en la primera parte de este capítulo, la posibilidad de generar patrones rítmicos en preparaciones aisladas de invertebrados fue establecida desde principio de los años sesenta, estudiando circuitos neuronales del acocil, la langosta (ortóptera) y ciertos nudibranquios. Algunos de estos circuitos participan en la lo-comoción, pero otros regulan la actividad rítmica durante la digestión, como el cir-cuito pilórico de la langosta estudiado por Allen selverston; o modulan la actividad del corazón, como en el circuito de la sanguijuela estudiado por Ronald Calabrese. Estas preparaciones han permitido adelantos notables para entender cuándo las propiedades oscilantes del circuito involucrado dependen sólo de las propiedades de sus células, y cuándo de las interacciones sinápticas entre sus elementos.

Peter getting propuso, hacia finales de los ochenta, que podrían reconocerse circuitos elementales con una función característica. si se tratase de vías sinergistas (que funcionan juntas), podrían reconocerse circuitos excitadores acoplados; si se tratase de vías antagonistas, debería encontrarse un circuito de inhibición recípro-ca. En los circuitos capaces de producir dos o más fases predominarían las sinapsis inhibidoras. En fin, que si estos circuitos elementales fuesen universales, podrían constituir módulos de operación del sistema nervioso.

El concepto que interesa destacar es que un Generador Central de Patrones pue-de producir patrones de distinta complejidad, y éstos pueden ser modificados de acuerdo con los requerimientos de adaptación o de control del organismo, a través de la información sensorial periférica o central (ver cuadro 9.1).

El molusco marino Tritonia diomedea escapa de sus depredadores mediante una serie de flexiones ventrales y dorsales alternadas que dan lugar al nado. Las flexio-nes ventrales y dorsales son producidas por motoneuronas flexoras ventrales y flexoras dorsales respectivamente, de manera que cada flexión es precedida por una descarga del tipo correspondiente de motoneurona. El origen central de este patrón motriz fue demostrado por Dorsett y sus colaboradores, en 1969 al registrar el patrón de actividad en el ganglio aislado ante la estimulación de algún nervio periférico.

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El generador central de esta conducta, mostrado en la figura 9.7, está básica-mente conformado por tres grupos de interneuronas con actividad alternada: las interneuronas de nado dorsales (id), dos tipos de interneuronas ventrales (iv) y las células cerebrales 2 (C2) con actividad en los transientes entre las células id y las iv. Cada tipo neuronal se conecta con los dos tipos de motoneuronas. Las vías monosinápticas entre las interneuronas y las motoneuronas fueron extensamente estudiadas por getting y sus colaboradores, quienes encontraron conexiones exci-tadoras, inhibidoras y otras de acción múltiple o mixta, que combinan la excitación y la inhibición en una variedad de secuencias temporales.

Mediante modelos de computadora, getting reconstruyó la red neuronal, y con-cluyó que la generación del patrón locomotriz resulta de una inhibición recíproca y excitación retardada. En el oscilador hay dos extremos, representados por las neu-ronas id y las iv respectivamente, que establecen inhibición recíproca. En paralelo, las células id excitan a las iv utilizando como intermediarias a las neuronas C2, lo que implica un retardo.

El ciclo completo del nado, mostrado en la figura 9.7, se inicia con la actividad en ráfagas de las células id que inhiben a las iv y excitan a C2. La excitación de C2 ocasiona que las células iv se activen, e inhiban tanto a las células id como a C2, dando como resultado que las células iv pierdan la excitación de C2 y decline su

cuadro 9.1.

Mecanismo de locomoción Organismos ejemplo

CiliarPedalPeristáltica Ambulatoria Anclaje

Platelmintos, nemertinos, gasterópodosPlatelmintos y gasterópodos Anélidos, holotúridos Onicóforos Arenicola, priapúlidos

figura 9.7. a] El circuito de la izquierda muestra, de manera simplificada, las interacciones entre los tipos neuronales del generador central de patrones de Tritonia: las interneuronas ventrales (iv), dorsales (id), y tipo C2. Las conexiones redondas son inhibidoras y las rectas son excitadoras. b] Los registros de la derecha muestran la actividad de cada uno de los tipos neuronales.

A

id iv

C2

B

id

iv

C2

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 285

frecuencia de disparo. El decremento en la actividad de las células iv libera gra-dualmente a las id de la inhibición, complementando el ciclo. Es importante hacer notar que el patrón sólo puede ser iniciado por la activación de las células id o de las C2. Además, la hiperpolarización de cualquiera de estas dos neuronas es capaz de bloquear el ciclo completo. Estos datos permiten postular tanto a id como a C2 como neuronas de comando integradas al generador central de patrones.

¿Cómo se integran estas ideas?: Neuronas de comando y generadores centrales de patrones

se ha realizado un esfuerzo considerable por determinar de qué manera las funcio-nes de comando y de generación central de patrones se integran en los niveles celu-lar y sináptico. La aplicación de los criterios de clasificación para ambas funciones permite suponer que, en algunos casos, las neuronas motrices pueden formar parte de un generador central, o que las neuronas de comando pueden recibir retro-re-gulación de las neuronas activadas por él. Esto sugiere que el flujo de información no es lineal a partir de la entrada sensorial, sino que funciona como una red en la que algunos de sus elementos pueden tener funciones múltiples. Tal es el caso de las células id y C2 analizadas en los párrafos anteriores.

Por otro lado, la estimulación de algunas neuronas de comando en acociles da lugar a la marcha, hacia adelante o hacia atrás. Estos patrones son muy estereotipa-dos, y además de los movimientos cíclicos y coordinados propios de la marcha, el patrón conductual incluye posturas características de cada caso. La marcha hacia el frente se presenta con la cola estirada, mientras que la marcha hacia atrás se pre-senta con la cola flexionada y en ocasiones con los quelípedos elevados. Es posible por lo tanto suponer que en este caso, las neuronas de comando ejercen un doble efecto, controlando la postura y activando al generador central de la marcha, o po-siblemente formando parte de él.

ii. los generadores de patrones rítmicos en los vertebrados

En general se ha visto que los patrones de locomoción de los animales reflejan, en mayor o menor medida, la organización de los cpg que los originan. Esto se ha podido corroborar en preparaciones aisladas de médula espinal de vertebrados comparativamente simples, como la lamprea o los peces dorados, algunos reptiles, aves, urodelos y larvas de anuros, en las cuales es posible registrar actividad de las neuronas involucradas en un cpg, estando disecado el sistema nervioso del resto del organismo. En todas estas preparaciones el patrón de actividad motriz en la médula espinal aislada —llamado locomoción ficticia— es muy semejante al patrón de acti-vidad motriz que se registra en el animal íntegro.

grillner y sus colaboradores, han sugerido que los circuitos centrales generado-res de patrones, pueden pensarse como osciladores.

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Los cpg de los vertebrados también están representados por varias neuronas, que se localizan en la médula espinal. Por ejemplo, en el caso de la lamprea, los circuitos responsables de las ondulaciones laterales que impulsan al animal hacia el frente (fig. 9.8A), abarcan entre uno y cinco segmentos espinales, y se hallan dis-puestos de manera serial a todo lo largo del cuerpo. su actividad rítmica, sucesiva y alternada lateralmente, ocasiona que las contracciones musculares ocurran con la misma frecuencia, pero desfasadas en sentido rostro-caudal.

En condiciones experimentales esta actividad rítmica puede ser iniciada por agentes farmacológicos o por estimulación al tallo cerebral, como se describe más adelante. En los peces la estimulación a regiones mesencefálicas da lugar a una combinación de comandos motrices y de navegación, pues se observan ajustes pos-turales de las aletas, además de las ondulaciones corporales. se corrobora así el esquema descrito anteriormente, en el cual los generadores de actividad rítmica localizados a nivel espinal son los responsables del patrón básico de locomoción, y la información sensorial o supraespinal los modula o modifica.

Los patrones de locomoción de la marcha cuadrúpeda (fig. 9.8B y C) son nece-sariamente más complejos. hay también una fuerte tendencia a la alternancia en

figura 9.8. a] Desfasamiento rostro-caudal de la activación de los osciladores neuronales por lo tanto de las contracciones musculares que originan las ondulaciones del cuerpo. Estas ondas pueden servir directamente para la locomoción del organismo o para la estabilización postural en los animales cuadrúpedos, como los mostrados en b. c] Las ondas de contrac-ción que dan al cuerpo forma de C están presentes sólo en algunos embriones de vertebra-dos, en cambio las ondas de contracción que originan una forma s del cuerpo se observan en todos ellos.

A B

C

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 287

la activación de los músculos antagonistas de las extremidades, pero a menudo se activan juntos para estabilizar las articulaciones. Los músculos poliarticulares pre-sentan periodos de actividad alternados con sus antagonistas, y otros en los que se coactivan con ellos.

Al mismo tiempo que se observan cambios en los patrones de actividad, en los vertebrados terrestres se encuentran modificaciones en la conectividad de las neu-ronas a nivel espinal. Mientras que en la lamprea las neuronas que activan los mús-culos antagonistas se encuentran en lados opuestos, en los cuadrúpedos los núcleos motores de los músculos antagonistas de una extremidad se hallan en un mismo lado de la médula espinal.

Ya en 1922, Romer propuso que los músculos de las extremidades de los tetrápo-dos pertenecen a dos clases homólogas y posiblemente derivadas de las masas mus-culares de las aletas de los peces. La masa muscular ventral daría lugar a los músculos extensores y la dorsal a los flexores. Aunque muchas de estas relaciones han podido verificarse con estudios embriológicos en pollo, ratón y rana, las correspondencias funcionales son más complicadas que lo sugerido por su modelo. Como una alter-nativa, Avis Cohen planteó, hacia finales de los ochenta, que filogenéticamente la masa muscular ventral habría dado origen, en forma consistente, a la musculatura axial ventral, asociada con un tipo de circuito oscilador, mientras que la masa mus-cular dorsal puede hallarse acoplada a varios tipos de circuitos oscilantes, es decir, ha sido más versátil, más plástica en el sentido evolutivo.

si ahora consideramos el punto de vista ontogenético, el primer patrón de ac-tividad rítmica de los embriones de peces y anfibios produce una onda de despla-zamiento en forma de C a todo lo largo del cuerpo, como la mostrada en la figura 9.8C. Para el desarrollo de una onda corporal C se requieren primero la contrac-ción y luego una relajación sincrónica de todos los segmentos de un mismo lado del cuerpo (ipsilaterales), en forma alternada con los segmentos contralaterales. Esta forma de desplazamiento, dando pequeños saltos a cada cambio de lado contraído, está ausente en embriones de reptiles, aves y mamíferos, en los que las contraccio-nes corporales en forma de C sólo son estacionarias.

El siguiente estado ontogenético combina dos ondas corporales C para producir una onda en forma de s. Esto implica la coordinación de varios sistemas neuronales de inhibición recíproca, dispuestos a ambos lados de la médula espinal. Las ondas en forma de s se observan en los embriones de todos los vertebrados (fig. 9.8C). Después de esta etapa hay una divergencia que tipifica a cada grupo. Parecería que a lo largo de su evolución, los vertebrados no requirieron cambios drásticos en la organización de sus cpg para adaptarse a la locomoción terrestre. Los ajustes más importantes se derivan de la presencia de extremidades capaces de soportar el peso corporal durante la 1ocomoción. Posiblemente tales ajustes se realizaron mediante la diversificación de las terminaciones sensoriales y el cambio de susceptibilidad del sistema nervioso a ellas. Como se ve en la figura 9.9, la carrera en los mamíferos se lleva a cabo mediante el mismo patrón motriz.

288 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

Organización de los generadores de patrones rítmicos en vertebrados

A pesar de las diferencias estructurales de su sistema nervioso, todos los vertebrados poseen una organización muy similar de las estructuras involucradas en la gene-ración de patrones de conductas motrices (fig. 9.10A). Como se mencionó más arriba, los movimientos son generados por redes de neuronas espinales, cpg, que envían la información necesaria a las diferentes neuronas motoras con la secuencia e intensidad apropiadas para generar patrones definidos. Los cpg pueden coor-dinar reflejos de protección, como la tos o la retracción de una extremidad ante un estímulo doloroso, o reflejos que generan movimientos rítmicos estereotipados, como la respiración, la masticación y la marcha. Algunos cpg, como el de la respira-ción, se encuentran activos toda la vida. Otros, como el de la marcha, se encuentran inactivos en reposo, pero pueden activarse por la información sensorial, o por co-mandos centrales provenientes del encéfalo (fig. 9.10B). La información sensorial proveniente de las extremidades en movimiento contribuye de manera importante en la regulación del patrón motriz para ajustarlo a las demandas del medio ambien-te, como los cambios en la pendiente del terreno, o la presencia de perturbaciones (obstáculos) inesperadas.

figura 9.9. patrones de locomoción en mamíferos corredores. En casi todos los mamífe-ros terrestres se observan patrones semejantes durante la carrera o galope.

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 289

Desde hace aproximadamente un siglo graham Brown demostró que la médula espinal del mamífero contiene los circuitos neuronales necesarios para generar ac-tividad locomotriz, aun en la ausencia de información proveniente del cerebro y de información sensorial. Varias décadas después, el grupo de Lundberg demostró que muchas interneuronas localizadas en el asta ventral de la médula espinal del gato ex-hibían descargas rítmicas de potenciales de acción durante la actividad locomotriz; sin embargo, hasta la fecha se desconocen las propiedades de membrana de estas neuronas, si su naturaleza es excitadora o inhibidora, sus conexiones con otras neu-ronas, o si alguna de ellas forma parte de la red generadora de patrones motrices.

Como se mencionó previamente, la información derivada de las investigaciones en vertebrados menos evolucionados, como la lamprea y larvas de rana, ha contri-buido de manera muy importante al conocimiento de la organización de las redes neuronales que conforman los cpg de los mamíferos, así como de los mecanismos

figura 9.10. organización del sistema motriz en los vertebrados. a] Localización de las estructuras que coordinan diferentes tareas motrices. b] Organización de los sistemas neuronales involucrados en el control de la locomoción. La locomoción se inicia por la actividad de las neuronas retículo espinales (re) del tallo cerebral, las cuales activan a las redes neuronales espinales que generan el patrón locomotriz, en estrecha interacción con la información sensorial. Los ganglios basales ejercen un control tónico inhibidor sobre los centros motrices, que se reduce cuando se selecciona un patrón motriz definido. Experimen-talmente la locomoción puede inducirse por agentes farmacológicos, como las monoaminas y el glutamato. rld, región locomotriz diencefálica. rlm, región locomotriz mesopontina. re, neuronas retículo espinales.

Redes neuronales espinales

Información sensorial

Activaciónfarmacológica

Búsquedade alimento

Movimientosoculares

Locomoción

Gangliosbasales

rlm

rld

re

selección

Cerebro anteriorinicio

Tallo cerebralgeneración de patrones

Médula espinal

B Control de la locomoción en los vertebrados

A Sistema motriz de los vertebrados

corteza cerebralControl motriz fino (lenguaje, coordinación manos/dedos)

ganglios

basales

hipotálamoHambreSed

cerebelo

tallo cerebralRespiraciónMasticaciónDegluciónMovimientos oculares

médula espinalReflejos de protecciónLocomoción

290 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

celulares y sinápticos involucrados en su función. se ha demostrado que los princi-pios de operación de los cpg descritos en los invertebrados y vertebrados inferiores son muy similares en los vertebrados superiores.

La lamprea, el modelo.

El sistema nervioso de la lamprea puede ser considerado como prototipo del siste-ma nervioso de los vertebrados, con la ventaja de que posee un menor número de neuronas que los vertebrados superiores. Puede ser mantenido in vitro.

La actividad locomotriz rítmica en la lamprea se puede registrar tanto en los músculos del animal intacto como en las raíces ventrales de la médula espinal ais-lada (fig. 9.11A). se presenta con una frecuencia de 0.1 a 8-10 hz en ambas condi-ciones y se caracteriza por una alternancia entre los segmentos espinales izquierdos y derechos. Esta actividad rítmica se produce en cada segmento de manera secuen-cial con un desfasamiento rostrocaudal, y está asociada a una onda mecánica que se propaga a lo largo de la médula espinal para impulsar al animal (fig. 9.8A).

En la lamprea ha sido posible identificar todas las neuronas que forman parte de los circuitos neuronales espinales implicados en la generación y formación del pa-trón de nado. La red locomotriz consiste de neuronas excitadoras (e) ipsilaterales, neuronas inhibidoras ipsilaterales (l) y neuronas inhibidoras (i) que proyectan sus axones al lado contralateral (fig. 9.11B). Los axones retículo espinales descenden-tes activan receptores glutamatérgicos tipo nmda (N-metil-D-Aspartato) y no-nmda que se localizan tanto en las interneuronas excitadoras e inhibidoras, como en las motoneuronas. Los receptores nmda son particularmente importantes debido a su dependencia del voltaje y contribuyen a las despolarizaciones sostenidas (potencia-les en meseta o “plateau”), los cuales facilitan las descargas prolongadas de poten-ciales de acción en las neuronas.

La alternancia de la actividad rítmica entre ambos lados de la médula espinal se produce a través de las interneuronas inhibidoras glicinérgicas (i, fig. 9.11B), cuya activación produce un enlentecimiento del ritmo. De manera opuesta, el blo-queo parcial de la transmisión glicinérgica inducido con estricnina produce un incremento en la frecuencia de la actividad locomotriz, y una sincronización de las ráfagas registradas en las raíces ventrales de ambos lados de la médula espinal. La transición de una actividad alternada a una sincronía bilateral se debe a la exis-tencia de interneuronas excitadoras con axones que cruzan al lado contralateral, y que proveen una excitación suficiente para sincronizar la actividad de ambos lados (no ilustradas en la fig. 9.11). Cuando se separan ambos lados de la médula espinal, cada hemimédula es capaz de producir descargas rítmicas, las cuales son generadas por las interneuronas excitadoras ipsilaterales (e). Estas interneuronas activan mo-nosinápticamente a las motoneuronas ipsilaterales, a las neuronas inhibidoras i y l (fig. 9.11B), y a otras interneuronas excitadoras del mismo tipo (no ilustradas en la fig. 9.11). De todas las interneuronas identificadas en la lamprea se conocen sus propiedades de membrana intrínsecas, sus receptores, los neurotransmisores que

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 291

liberan, las interacciones sinápticas entre ellas y la modulación de sus propieda-des de disparo. Con base en los hallazgos experimentales derivados de los estudios conductuales, electrofisiológicos, farmacológicos y de biología molecular se han desarrollado modelos computacionales detallados que reproducen con precisión la conducta del nado de la lamprea.

Mamíferos, inferencias y nuevos abordajes

En los mamíferos, el gato por excelencia, las técnicas electrofisiológicas clásicas han contribuido enormemente a la identificación de varios tipos funcionales de inter-neuronas, las cuales forman parte de vías reflejas específicas. Estas interneuronas se han estudiado fundamentalmente en condiciones de reposo. Durante eventos diná-micos, como la marcha y el rascado, en la zona intermedia y en el asta ventral de la médula espinal se ha registrado un sinnúmero de interneuronas que exhiben des-cargas rítmicas de potenciales de acción. sin embargo, se conoce muy poco acerca de su conectividad, de sus propiedades de membrana intrínsecas y si su naturaleza es excitadora o inhibidora. En los mamíferos, hasta la fecha no habido una demos-

figura 9.11. patrón locomotriz del nado en una lamprea intacta y en la médula espi-nal aislada. a] Panel superior, actividad electromiográfica (emg) bilateral registrada en dos segmentos de la lamprea intacta. La actividad emg alterna entre los segmentos 1 y 3, y 2 y 4, y hay un retardo intersegmental entre 1 y 2, y 3 y 4. Panel inferior, actividad electroneuro-gráfica (eng) registrada en la médula espinal aislada de la lamprea con un patrón similar al del animal intacto. b] Principales características de la red neuronal responsable del patrón rítmico del nado en cada segmento. A cada lado de la red las neuronas excitadoras (e) con-trolan a las motoneuronas (mn) y a dos clases de neuronas inhibidoras (i y l). Los axones de las interneuronas I cruzan la línea media e inhiben las neuronas de la mitad contralateral. La interneurona l inhibe las interneuronas i del mismo lado.

A 1

1

2

43

2

3 4

12

43

12

43

eng

emg

locomoción ficticia

Médula espinal aislada

B

Formación reticular

Tallocerebral

Músculoslado izquierdo

Músculoslado derecho

Médulaespinal

292 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

tración fehaciente acerca de interneuronas excitadoras cuya actividad sea respon-sable de la generación del ritmo locomotriz, es decir, neuronas comando. A este respecto, en los años recientes las investigaciones realizadas en la médula espinal aislada del ratón y de la rata neonatos han aportado información muy relevante.

En presencia de serotonina y nmda la médula espinal aislada de la rata neonata (0-5 días posnatales), colocada en una solución salina para mamíferos, puede ge-nerar descargas rítmicas y alternadas de actividad en las motoneuronas ipsilaterales y contralaterales, las cuales pueden registrarse en los axones motores a nivel de las raíces ventrales espinales (fig. 9.12) o en los nervios periféricos. Al patrón de descargas producido en estas condiciones se le conoce como “locomoción ficticia”, ya que ocurre en la ausencia de movimiento. Tal abordaje ha permitido determi-nar, mediante el uso de marcadores de actividad neuronal, la localización de las interneuronas que se activan rítmicamente durante esta conducta motriz, así como la caracterización de algunos tipos de neuronas y el papel que desempeñan en la generación de la actividad rítmica y en la formación de patrones motrices.

En la rata neonata los segmentos lumbares rostrales (L1-L3) tienen una mayor capacidad para generar actividad motriz rítmica que los segmentos lumbares cauda-les (L4-L6). Cuando la parte lumbar rostral se expone a una combinación de seroto-nina, dopamina y nmda, se produce una actividad rítmica en los segmentos rostrales y caudales, pero menos robusta en los segmentos caudales. sin embargo, cuando la misma concentración de fármacos se aplica en la médula espinal lumbar caudal sólo se induce una actividad sostenida a este nivel. Ello sugiere que la capacidad ritmogénica del cpg que controla las extremidades posteriores de la rata está distri-buida a lo largo de la médula espinal lumbar, y que existe un gradiente de excitabi-lidad rostrocaudal, posiblemente debido a la distribución diferencial de subtipos de receptores a dopamina y serotonina a lo largo de la médula espinal lumbar.

Debido al gran número de neuronas presentes y a su diversidad, en la médula es-pinal de los mamíferos se ha dificultado la caracterización e identificación de aque-

figura 9.12. actividad rítmica locomotriz registrada en las raíces ventrales de la mé-dula espinal de la rata neonata. La médula espinal se extrae y se coloca en una solución salina para mamíferos. La aplicación de nmda y serotonina produce descargas rítmicas en las motoneuronas que inervan los músculos de las extremidades.

locomoción ficticia

Médula espinal aislada - rata neonata

nmda + 5-ht

L2derizq

L3derizq

3 s

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 293

llas que conforman los cpg por medio de técnicas electrofisiológicas y anatómicas clásicas. Con el advenimiento de nuevas estrategias, que utilizan las técnicas de la genética y de la biología molecular en combinación con los abordajes electrofisioló-gicos clásicos, se ha abierto un panorama sin precedentes sobre la organización de las redes neuronales de los cpg. se ha podido demostrar que las neuronas del asta ventral del tubo neural en desarrollo se originan a partir de cinco dominios proge-nitores, los cuales dan lugar a diferentes poblaciones de interneuronas relacionadas con la actividad motriz. Cada uno de estos tipos de interneuronas (V0, V1, V2, V3 y hb9) puede ser definido con base en la expresión selectiva de factores de transcripción (fig. 9.13A y B).

Mediante estas técnicas es también posible suprimir o alterar el fenotipo de gru-pos específicas de interneuronas, lo cual ha permitido la identificación y el estudio de poblaciones de neuronas derivadas de dichos dominios. Además, el uso de pro-teínas fluorescentes, cuya expresión es controlada por promotores2 de factores de transcripción específicos, ha permitido caracterizar anatómica y fisiológicamente algunas clases de neuronas en el animal posnatal, ya que sólo las neuronas que expresan esos factores expresarán las proteínas fluorescentes. Asimismo, la utili-zación de cepas transgénicas3 con supresión de genes específicos (“knock-out”), o

figura 9.13. desarrollo de los grupos neuronales del asta ventral en los mamíferos. a] Los grupos de neuronas V0, V1, V2, V3 y hb9 se desarrollan a partir de cinco dominios progenitores del tubo neural ventral. se indican los diferente dominios, los factores de trans-cripción que expresan (óvalos) y los tipos funcionales de neuronas (paréntesis) que se origi-nan a partir de ellos. b] Esquema de un corte transversal de la médula espinal del mamífero adulto con algunos tipos de neuronas interpuestas en vías reflejas específicas. R, neuronas de Renshaw. Ia, interneuronas que median la inhibición recíproca, o antagonista. C, interneu-ronas comisurales. mn, motoneuronas. grd, ganglio de raíz dorsal.

A

Dominioprogenitor

Ventral(motriz)

embrión

Dbx Dbx

En1 En1

Hb9Hb9

Sim1 Sim1

Chx10Chx10

Pax 3/7

p0

p1

p2

p3

pmn

V0 (c)

V1 (Ia, r)

V2 (int.)

V3 (c, int.)

Hb9 (mn, int. cpg)

grd

Ventral(motriz)

Dorsal(sensorial)

Músculo

mnmn

r

c

ia

B adulto

grd

2 Un gen tiene dos regiones principales, la región reguladora (promotor) y la región codificadora de la proteína. En la construcción de ratones transgénicos, se pueden usar promotores generales que permiten una expresión continua y generalizada del transgen, o bien, un promotor tejido-específico que produce un patrón de expresión más restringido.

3 Un ratón transgénico es un ratón que porta un fragmento de adn ajeno a su genoma. Para obtenerlo es necesario construir un plásmido de adn (un plásmido es un elemento genético extracromosomal cuya

294 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

con alteración en su expresión, ha permitido estudiar los eventos moleculares que participan en la organización de los cpg durante el desarrollo.

Interneuronas involucradas en la coordinación locomotriz bilateral:derecha-izquierda

En la mayoría de los mamíferos el patrón de marcha de las extremidades se ca-racteriza por la alternancia entre las extremidades derechas e izquierdas. En las figuras 9.14B, 9.15A y D y 9.16B, se ilustra el patrón de marcha en cepas silves-tres del ratón. La alternancia se debe a la inhibición mutua de los cpg de cada lado de la médula espinal por medio de interneuronas comisurales inhibidoras, cuyos axones cruzan a través de la comisura ventral (fig. 9.13B). Los grupos V0 y V3 incluyen a interneuronas comisurales (fig. 9.13A). V0 constituye un grupo de interneuronas comisurales puras con axones ascendentes, mientras que las in-terneuronas V3 constituyen una población mixta de interneuronas comisurales e interneuronas que proyectan ipsilateralemente. El desarrollo de las interneuronas V0 puede ser abolido en la médula espinal del ratón al suprimir el gen que codifica para el factor de transcripción Dbx, el cual se expresa en las células progenitoras V0 (fig. 9.13A). En la cepa “knock-out” Dbx-/- del ratón se produce un cambio en la coordinación izquierda-derecha con periodos de asincronía mezclados con una alternancia normal (fig. 9.14B), lo que hace sospechar que las interneuronas V0 participan en la alternancia izquierda-derecha de la locomoción. No obstante, ya que la alternancia izquierda-derecha no es remplazada completamente por una sincronía bilateral en estos mutantes, es posible que otras neuronas comisurales diferentes a las V0 estén involucradas.

Durante el desarrollo, el direccionamiento de los conos de crecimiento axonal de las neuronas comisurales excitadoras e inhibidoras está regulado por los recep-tores a las efrinas4 (EphA4) y sus ligandos (ephrinB3). En condiciones normales el ligando ephrinB3 forma una barrera en la línea media del tubo neural, impidiendo que las neuronas que poseen los receptores EphA4 crucen hacia el lado contrala-teral. En los ratones que carecen del receptor EphA4 (EphA4-/-) o de su ligando ephrinB3 (ephrinB3-/-) se pierde la alternancia izquierda-derecha y en su lugar se exhibe una actividad sincrónica, parecida a la marcha de los conejos y canguros (fig. 9.15B y C).

En la médula espinal aislada de la cepa silvestre del ratón, la aplicación de sero-

cadena de adn es circular). Posteriormente se introduce el nuevo gen (transgen) en la célula blanco para que se inserte al azar en el genoma celular.

4 Los receptores de la familia Eph (un tipo de receptores de cinasa de tirosina), y sus ligandos, las efri-nas, son reguladores esenciales en la guía axonal, migración celular, segmentación y angiogénesis. Las efrinas desencadenan cascadas de señalización intracelular al activar los receptores Eph, lo que produce cambios morfogénicos durante la embriogénesis. La interacción de las efrinas con sus receptores juegan también un papel importante en los procesos de repulsión célula-célula.

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 295

figura 9.14. la supresión de las neuronas comisurales v0 produce una reducción en la alternancia izquierda-derecha durante la locomoción. a] Esquema del arreglo experi-mental para registrar la actividad locomotriz en las raíces ventrales L2 izquierda y derecha (L2i y L2d) y L5 izquierda (L5i) de la médula espinal aislada del ratón. La locomoción fue inducida por la aplicación de serotonina y nmda. b] Panel superior, en la cepa silvestre (control) se puede observar una alternancia izquierda-derecha apropiada. Panel inferior, en la cepa mu-tante homocigótica Dbx-/- la actividad locomotriz exhibe periodos de sincronía bilateral (L2i y L2d). La alternancia entre las raíces ventrales L2i y L5i no se altera en ambas condiciones.

figura 9.15. la sobreexpresión de neuronas comisurales excitadoras produce un pa-trón de marcha con sincronización bilateral de las extremidades posteriores. a] Marcha en un ratón normal (cepa silvestre) con alternancia en las extremidades posteriores. b y c] Marcha en cepas de ratones transgénicos homocigóticos (ephA4-/- y ephrinB3-/-) con sincronización de las extremidades posteriores. d-f] Actividad electroneurográfica registra-da en las raíces ventrales lumbares (L2 y L5) en la médula espinal aislada. En la cepa silvestre (d), la aplicación de 5-ht y nmda produce una actividad alternada en las raíces lumbares L2 derecha e izquierda (L2d y L2i) y en las raíces ventrales L5 derecha e izquierda (L5d y L5i). En las cepas transgénicas (E y F) se produce una actividad sincrónica en los mismos pares de segmentos.

CBA

FED

cepa silvestre epha–/– ephrinb3–/–

L2d

L2i

L5d

L5i

1 s

BA

L2d

L5i

L2i

L2i

L2i

L2d

L2d

L5i

cepa silvestre

Dbx –/–

L5i

296 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

tonina y nmda produce actividad rítmica en las raíces ventrales caracterizada por una alternancia entre los segmentos lumbares L2 derecho e izquierdo, y entre los segmentos L5 derecho e izquierdo (fig. 9.15 D), similar a la alternancia que ocurre en el animal intacto. La actividad en las raíces ventrales L2 está relacionada con la flexión y la registrada en L5 con la extensión, de tal manera que la actividad regis-trada en las raíces ventrales L2 y L5 ipsilaterales exhiben también una alternancia. sin embargo, la aplicación de los mismos fármacos en la médula espinal aislada de las cepas mutantes EphA4-/- (fig. 9.15 E) y ephrinB3-/- (fig. 9.15 F) produce una actividad sincrónica entre ambos segmentos lumbares L2, y entre ambos segmentos lumbares L5, sin alterar la alternancia entre los segmentos L2 y L5 ipsilaterales. La actividad sincrónica bilateral en las cepas mutantes es revertida hacia una actividad alternante en la presencia del inhibidor de la recaptura de glicina, sarcosina, lo cual sugiere que se produce por un cambio en el balance de la actividad de las interneu-ronas comisurales excitadoras e inhibidoras. De hecho, en las cepas mutantes se ha demostrado que existe una sobreexpresión aberrante de interneuronas comisurales excitadoras, lo cual conduce a una sobreexcitación recíproca y a una actividad sin-crónica. Las proyecciones de estas neuronas excitadoras son predominantemente ipsilaterales, pero en los ratones mutantes cruzan la línea media y rebasan la acti-vidad inhibidora conduciendo a una sincronización bilateral. se ha observado que estas neuronas excitadoras se activan rítmicamente durante la locomoción, lo que las hace candidatas a formar parte del cpg.

Interneuronas involucradas en la coordinación flexión-extensión

La alternancia entre la actividad flexora y extensora ipsilateral en la médula espinal no depende de conexiones cruzadas, ya que persiste en la médula espinal hemi-seccionada. se ha propuesto que las interneuronas de Renshaw y las interneuronas Ia juegan un papel importante en esta alternancia. Las interneuronas de Renshaw median la inhibición recurrente en las motoneuronas. Las interneuronas Ia median la inhibición no recíproca, o antagonista, entre músculos flexores y extensores (fig. 9.13B), y son activadas por aferentes del grupo Ia provenientes de los husos muscu-lares. Ambos tipos de neuronas tienen como origen la población de neuronas V1, expresan el factor de transcripción engrailed1 (En1) codificado por el gen Pax6, son de naturaleza inhibidora y proyectan local e ipsilateralmente (fig. 9.13A, B). En los ratones “knoc-kout” para el gen Pax6 (Pax6-/-), el número de interneuronas V1 se reduce dramáticamente. Los ratones muestran una marcha más lenta y las descargas rítmicas terminan de manera menos abrupta (fig. 9.16C). Un fenotipo similar se genera cuando las neuronas V1 son selectivamente “envenenadas” al in-sertar el transgen que codifica para la toxina diftérica A (dta), cuya expresión es controlada por el promotor de Eng1 (fig. 9.16D). La duración del ciclo de la mar-cha se incrementa dramáticamente en los ratones Pax6-/- y En1-dta, comparada con la duración observada en las cepas silvestres de ratones (fig. 9.16B). Estas observa-ciones sugieren que la red inhibidora ipsilateral, a la cual pertenecen las interneu-

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 297

ronas inhibidoras de Renshaw e Ia determinan, en parte, la forma y duración de las descargas rítmicas asociadas con la conducta de marcha.

Interneuronas excitadoras con propiedades ritmogénicas

Los principios básicos de operación de los cpg de las redes locomotrices en la mé-dula espinal de los invertebrados y vertebrados inferiores, así como los modelos propuestos para su organización, han permitido elaborar una lista de criterios espe-cíficos que se esperaría reunieran las neuronas con propiedades ritmogénicas. Es-pecíficamente, las neuronas involucradas en la generación de un ritmo locomotriz deberían cumplir con los siguientes criterios:

a] localización en la parte lateral del asta ventral de la médula espinal toraco-lumbar;

b] recibir aferencias glutamatérgicas y serotonérgicas retículo-espinales;c] recibir aferencias de fibras provenientes de husos musculares, dada la capaci-

dad de las fibras Ia para desacoplar el ritmo locomotriz;d] poseer un fenotipo glutamatérgico;e] producir una autoexcitación recurrente, o una excitación mutua entre la mis-

ma población de neuronas;

figura 9.16. la supresión de las neuronas v1 produce una reducción en la frecuencia de la actividad rítmica locomotriz. a] Esquema del arreglo experimental para registrar la actividad locomotriz en las raíces ventrales L2 izquierda y derecha (L2i y L2d) y L5 izquierda (L5i) de la médula espinal aislada del ratón. La locomoción fue inducida por la aplicación de serotonina y nmda. b-d] Electroneurogramas de la actividad rítmica inducida por la adminis-tración de 5-ht y nmda en la médula espinal aislada del ratón control (cepa silvestre), y de los ratones transgénicos Pax6-/- y en1-dta. La frecuencia de la actividad locomotriz se reduce dramáticamente en las cepas mutantes. La alternancia bilateral izquierda-derecha (L2i-L2d), y la alternancia ipsilateral de flexión-extensión (L2i-L5i) es normal en ambas cepas.

BA

C

D

L2i

L2d

L5i

cepa silvestre

Pax6–/–

En1-dta

10 s

L2d

L5i

L2i L2i

L2d

L5i

L2i

L2d

L5i

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figura 9.17. las interneuronas hb9 reúnen muchos de los criterios para formar parte del circuito generador del ritmo en los vertebrados. a] se localizan en el asta ventral de la médula espinal, cerca del canal central. son de naturaleza excitadora (glutamatérgicas). Establecen conexiones recurrentes sobre sí mismas. No se han demostrado que hagan co-nexiones directas sobre las motoneuronas (aunque en el esquema lo parezca). b] Al aplicar un pulso de corriente despolarizante, cuando el potencial de membrana es muy negativo, responden con una descarga de potenciales de acción. A este fenómeno se le conoce como rebote postinhibición y es mediado por canales de calcio tipo T, los cuales se activan con la hiperpolarización. c] La aplicación de fármacos que inducen la locomoción (nmda, seroto-nina y dopamina) produce descargas rítmicas de potenciales de acción (ic) asociadas a las descargas de las motononeuronas registradas en una raíz ventral (rv). d] En presencia de una toxina que bloquea los canales de sodio (ttx, tetrodotoxina) se producen oscilaciones rítmicas del potencial de membrana, las cuales son independientes del voltaje. b-d] registros intracelulares de interneuronas diferentes.

B D

CA

Hb9-1N

cpg

mn

–95 mV

–80 mV

–60 mV

–70 mV–80 mV

–50 mV

–70 mV

–90 mV10 mV 5 mV

1 s

20 s

10 mV100 ms

ic

rv

+ NMDA + 5-HT + DA + TTX

+ NMDA + 5-HT + DA

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 299

f] no ser interneuronas de último orden, es decir, no tener proyecciones direc-tas a las motoneuronas;

g] tener propiedades de membrana intrínsecas tales como: oscilaciones endó-genas del potencial de membrana, rebote postinhibición, potenciales en meseta y adaptación de la frecuencia de disparo;

h] responder rítmicamente a los agentes farmacológicos que inducen la lo-comoción, como las monoaminas (serotonina, dopamina y noradrenalina) y el glutamato.

La combinación de diferentes propiedades intrínsecas es necesaria para la ge-neración del ritmo y patrón locomotriz. Los potenciales de meseta aseguran una descarga prolongada de potenciales de acción en la ausencia de aferencias sinápti-cas sostenidas. La adaptación de la frecuencia de disparo contribuye a la termina-ción de una descarga. El ritmo puede ser generado por neuronas con propiedades endógenas de disparo, o por neuronas inhibidoras conectadas recíprocamente. El rebote postinhibición (ver fig. 9.17) es particularmente importante en la genera-ción del ritmo, tanto en neuronas que disparan endógenamente (para asegurar un inicio rápido de la descarga) como en redes inhibidas recíprocamente, aun si las neuronas no disparan endógenamente. Dos neuronas que se inhiben recíproca-mente pueden generar un patrón rítmico si ambas poseen rebote postinhibición.

En el ratón existe una población de interneuronas que satisface la mayoría de los criterios para ser consideradas como candidatas en la generación del ritmo. Estas interneuronas expresan el factor de transcripción hb9 (fig. 9.13A), se lo-calizan cerca de la línea media en la parte rostral de la médula espinal lumbar (L1-L3), rodeando la comisura ventral (figs. 9.13A y 9.17A), reciben aferencias serotonérgicas y de aferentes primarias Ia, y tienen un fenotipo glutamatérgico, es decir, son excitadoras. Las neuronas no envían proyecciones contralaterales (fig. 9.17A), por lo tanto se trata de una población diferente a las neuronas comisurales excitadoras que expresan el receptor a las efrinas EphA4, y aparentemente no establecen conexiones directas (monosinápticas) con las motoneuronas, es decir, no son de último orden. Los registros intracelulares de las interneuronas hb9 revelan la presencia de un rebote postinhibición (fig. 9.17B) mediado por canales de calcio tipo T.

Las interneuronas hb9 exhiben descargas rítmicas de potenciales de acción en presencia de los fármacos que inducen la actividad locomotriz (nmda, serotonina y dopamina) (fig. 9.17C). Al agregar tetrodotoxina (ttx), un bloqueador de los canales de sodio rápidos y por ende de toda actividad sináptica, se produce una os-cilación de su potencial de membrana (fig. 9.17D), lo que sugiere que las neuronas hb9 poseen una capacidad ritmogénica endógena.

En una población de interneuronas hb9 las oscilaciones del potencial de mem-brana registradas son independientes del voltaje (fig. 9.17D), lo cual sugiere que están electrotónicamente acopladas (a través de uniones comunicantes) a otras neuronas cuyo potencial de membrana es oscilatorio. De hecho, se ha demostrado que las interneuronas hb9 no están electrotónicamente acopladas entre sí, sino a interneuronas de una población diferente (no-hb9).

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En conclusión, en el ratón las interneuronas hb9 reúnen la mayoría de los crite-rios necesarios que las hace fuertes candidatas para formar parte de la red genera-dora del ritmo locomotriz.

Papel del acoplamiento eléctrico en la generación del ritmo locomotriz

El acoplamiento eléctrico puede estar presente entre neuronas con actividad ritmo-génica de una misma clase (acoplamiento homogéneo) o entre neuronas de pobla-ciones diferentes (acoplamiento heterogéneo). se ha mostrado que el acoplamiento eléctrico o electrotónico facilita la actividad sincrónica en pares de neuronas perte-necientes a poblaciones distintas. Las neuronas disparan de manera independiente en un sistema débilmente acoplado. Cuando la fuerza de acoplamiento se incremen-ta, las neuronas pueden llegar a sincronizarse. No obstante, cuando el acoplamiento es excesivamente alto las oscilaciones cesan por completo. El acoplamiento eléctrico estabiliza el patrón de descargas de potenciales de acción y regula el intervalo entre cada descarga. Las propiedades ritmogénicas oscilatorias endógenas de neuronas individuales dentro de una red acoplada electrotónicamente, facilitan la actividad de descarga, de manera que no todas las neuronas individuales necesitan ser marcapa-sos endógenos para que se genere un ritmo sincrónico en toda la red.

Modelos de redes locomotrices en mamíferos

graham Brown propuso que el cpg de la locomoción en los mamíferos estaba orga-nizado a manera de “semicentro”, es decir, dos módulos interneuronales, uno para coordinar la actividad de extensión (E) y otro para la de flexión (F), los cuales se inhibían recíprocamente (fig. 9.18). Esta organización sería la responsable tanto de la generación del ritmo, como de la formación del patrón motriz. Este modelo ha sido suficiente para explicar la alternancia ipsilateral y contralateral durante el nado de la lamprea, en donde las neuronas generadoras del ritmo y formadoras de patrón están integradas en una sola red (fig. 9.11B).

Más tarde grillner propuso el modelo de “generador de descarga unitario”, que consiste de varios módulos que se encuentran interconectados entre sí, cada uno responsable de la flexión y la extensión de las diferentes articulaciones de una ex-tremidad. Aunque se trata de un modelo más distribuido, cada módulo es conside-rado como un “semicentro”, ya que la flexión y la extensión en cada articulación se encuentran recíprocamente inhibidas. Durante la locomoción, estos módulos se acoplan como una unidad funcional conformando un solo sistema rítmico. Tal vez ello explique por qué en los mamíferos, en la mayoría de las condiciones experi-mentales no se han podido identificar generadores de ritmo independientes.

Existe amplia evidencia experimental de que el patrón de actividad locomotriz puede modificarse independientemente del ritmo, lo que sugiere que este último se produce por neuronas independientes de aquellas responsables de la formación

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 301

de patrones. Con este argumento se ha propuesto un modelo de dos estratos, o capas, para el cpg que controla la locomoción en los mamíferos:

a] una red generadora del ritmo,b] una red generadora de patrones.Esta última red coordina el patrón de activación de las motoneuronas flexoras

y extensoras, y se encuentra interpuesta entre la red generadora de ritmo y las mo-toneuronas, como una red intermedia. En este modelo ambos estratos neuronales, red generadora del ritmo y red formadora de patrones, están organizadas como módulos “semicentro”.

sin embargo, aunque hay evidencia de que el nivel o capa responsable de la for-mación de patrones está organizada a manera de “semicentro”, es decir, simétrica, no se conoce con precisión si la red que genera el ritmo está organizada de manera similar. Las observaciones experimentales en diferentes especies de animales indi-can que la red que genera el ritmo no está organizada en forma de “semicentro”. En el sistema locomotriz de la cucaracha (que consiste sólo de una capa) existe una población de interneuronas con actividad oscilatoria endógena, la cual es respon-sable de la alternancia entre la flexión y la extensión. La actividad rítmica en las motoneuronas flexoras puede proseguir en ausencia de descargas en las motoneu-ronas extensoras, y se ha propuesto que las neuronas con capacidad ritmogénica endógena activan preferentemente a las motoneuronas flexoras. Para incorporar a las motoneuronas extensoras en la actividad rítmica, el módulo generador proyecta a las motoneuronas extensoras a través de una interneurona inhibidora, y de esta forma al activar monosinápticamente a las motoneuronas flexoras e inhibir disináp-ticamente a las motoneuronas extensoras se puede establecer el curso temporal del ciclo locomotriz (duración de las fases de flexión y extensión).

En los roedores, se ha demostrado que al bloquear la transmisión sináptica in-hibidora en la hemimédula aislada, se puede generar actividad rítmica en moto-

figura 9.18. modelo propuesto por brown (1911) para explicar la actividad rítmica y alternante durante la locomoción en los mamíferos. Las redes neuronales generadoras del ritmo y del patrón de alternancia se orga-nizan en forma de “semicentro”, es decir, dos módulos de interneuronas, uno responsable de la extensión (e) y otro de la flexión (f) (círculos blancos), los cuales se inhiben recíprocamente a través de interneuronas inhibidoras (cír-culos oscuros). Las motoneuronas extensoras (e) y flexoras (f) (diamantes) reciben conexiones de los módulos respec-tivos. Una segunda población de interneuronas inhibidoras, probablemente las interneuronas Ia que median la inhibi-ción recíproca, asegura la inhibición de las motoneuronas antagonistas.Extensión Flexión

E

E F

F

S. ExcitatoriaS. Inhibitoria

patr

ón

mo

tor

mo

de

lo d

e “

se

mic

en

tro

”

302 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

neuronas flexoras y extensoras, lo cual sugiere que la actividad inhibidora cruzada y las interneuronas inhibidoras ipsilaterales, no son necesarias para la generación de dicha actividad, y que las interneuronas excitadoras son las responsables para la generación del ritmo. Estos resultados excluirían, en principio, a los modelos que contemplan una organización de “semicentro”, en los cuales se propone que la generación del ritmo estaría dada por la organización recíproca entre los módulos flexor y extensor.

Todo ello con base en:a] las propiedades ritmogénicas de las interneuronas hb9,b] la ritmogénesis se genera predominantemente en las regiones de la médula

espinal relacionadas con la flexión (L1-L3 en roedores), y c] que el generador del ritmo podría operar de manera asimétrica, es decir, pro-

ducir una excitación del módulo flexor y una inhibición del módulo extensor de la red formadora de patrones, este modelo se ilustra en la figura 9.19.

El módulo generador del ritmo estaría compuesto por neuronas ritmogénicas con un acoplamiento electrotónico heterogéneo, y proyectarían monosináptica-mente al “semicentro” flexor y a través de una interneurona inhibidora al “semicen-tro” extensor de la red. La alternancia del patrón locomotriz se produciría a través

figura 9.19. diagrama esquemático del modelo que propone un generador del ritmo asimétrico. El generador del ritmo consiste de una población de interneuronas hb9 que es-tán acopladas electrotónicamente a neuronas no-hb, ambas con propiedades ritmogénicas. Esta red produce una excitación de las interneuronas del módulo flexor (f) y una inhibición de las del módulo extensor (e) de la red formadora de patrones. Para producir una marcha alternada entre las extremidades izquierda y derecha, tanto la red generadora del ritmo como la formadora de patrones del lado izquierdo, se inhiben recíprocamente con las redes correspondientes del lado derecho.

Extensión ExtensiónFlexión Flexión

e

e

e

ef

ff

f

Lado izquierdo Lado derechono-Hb9 no-Hb9

Hb9 Hb9

S. EléctricaS. ExcitatoriaS. Inhibitoria

patr

ón

mo

tor

re

d f

or

ma

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ra

de p

atr

on

es

re

d g

en

er

ad

or

a

de

l r

itm

o

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 303

de la inhibición recíproca, entre las redes generadoras de ritmo y formadoras de patrones de cada lado de la médula espinal (fig. 9.19).

El ritmo locomotriz: posible interacción de las interneuronas V1 y Hb9

Para poder generar diversos patrones motrices, las neuronas y redes involucradas en la generación de ritmo deben tener la capacidad para regular la frecuencia y la duración de las descargas flexora y extensora del ciclo locomotriz. En los verte-brados poco se sabe acerca de los mecanismos que controlan la frecuencia de la actividad locomotriz. sin embargo, estudios recientes en el ratón neonato han de-mostrado que el periodo del ciclo locomotriz se prolonga al suprimir el desarrollo de las neuronas V1 (fig. 9.16), o en ratones transgénicos a los que se les ha insertado el gen que expresa el receptor a la alatostatina (fig. 9.20A), el cual es regulado por el promotor de Eng1 (fig. 9.13A). El receptor para alatostatina se encuentra en la drosófila y está acoplado a un canal de potasio responsable de la rectificación

figura 9.20. hipótesis propuesta para la regulación de la frecuencia del ritmo lo-comotriz: interacción de las interneuronas V1 y hb9. a] La frecuencia del ritmo loco-motriz se reduce cuando la actividad de las interneuronas V1 se inhibe. se utilizó una cepa transgénica del ratón a la que se le insertó el gen que codifica para el receptor para alatos-tatina, bajo el control del promotor de Eng1. El receptor a la alatostatina está acoplado a un canal de potasio de la rectificación de entrada (girk) a través de la activación de proteínas g. En presencia de alatostatina, el canal de potasio se activa y las interneuronas V1 se hiper-polarizan. Esto conduce a un enlentecimiento reversible de la actividad locomotriz. b] La despolarización de las interneuronas hb9 incrementa el periodo de las oscilaciones rítmicas inducidas por nmda, serotonina y dopamina en presencia de ttx. c] Las interneuronas V1 inhiben a las interneuronas hb9. Cuando las interneuronas V1 se hiperpolarizan se remueve el control inhibidor sobre las interneuronas hb9, y se produce una reducción de la frecuen-cia de las oscilaciones rítmicas.

C

V1

Hb9

no-Hb9

B

10 mV5 s

–80 mV

–70 mV

–55 mV

+ NMDA + 5-HT + DA + TTX

A Alatostatina 5 µM Lavado

L2i

L5i

5 s

5 min

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de entrada (girk); por consiguiente, al aplicar alatostatina en la médula espinal de estos ratones, las interneuronas V1 se hiperpolarizan y se produce un “silencia-miento” agudo y reversible de las mismas (fig. 20A). Puesto que las neuronas V1 son interneuronas inhibidoras, estos estudios demuestran que la remoción de una inhibición reduce la frecuencia de la locomoción.

Por otra parte, en una población de neuronas hb9 se ha observado que la fre-cuencia de las oscilaciones del potencial de membrana producida por los fármacos que inducen la locomoción (nmda, serotonina y dopamina) se reduce al despola-rizar a la neurona (fig. 9.20B). Este hallazgo podría explicarse al suponer que las interneuronas inhibidoras V1 proyectan sobre las interneuronas hb9 responsables de la generación del ritmo. La hiperpolarización o “silenciamiento” de las interneu-ronas V1 removería la inhibición ejercida sobre las interneuronas hb9, las cuales se despolarizarían y se produciría un enlentecimiento del ritmo locomotriz, es decir, una reducción en la frecuencia de las descargas rítmicas. La demostración directa de que las interneuronas V1 inhiben a las interneuronas hb9 apoyaría la hipótesis de que las interneuronas hb9 están involucradas en la generación del ritmo loco-motriz y validaría el modelo propuesto en la figura 9.19.

iii. estructuras del sistema nervioso central que participan

en el control motriz en vertebrados

En el control motriz de los vertebrados participan diversas estructuras cerebrales que le confieren un alto grado de precisión. hacer una revisión exhaustiva de cada una de ellas es motivo de un libro por sí misma. En esta sección se resumen algunos aspectos relevantes de la participación de estas estructuras. La figura 9.21 resume las interacciones más importantes que se establecen entre ellas.

figura 9.21. esquema de la organización del sistema de control motriz en los mamífe-ros. Para mayor detalle revisar el capítulo sobre sistemas nerviosos de este volumen.

Áreas motoras de la corteza cerebral

Médula espinal

Tallo cerebral

TálamoGanglios basales

Cerebelo

Aferentes

Músculos

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 305

Los ganglios basales

Los ganglios basales están por debajo de la corteza cerebral, recibiendo entradas sinápticas de todas sus áreas. sus proyecciones van principalmente hacia áreas de la corteza frontal a través del tálamo, es decir, conforman un asa de procesamiento que va de la corteza cerebral a los ganglios basales y de nuevo a la corteza. Cualquier alteración o daño de los ganglios basales produce deficiencias severas y dramáticas de los movimientos voluntarios. La información disponible indica que desempeñan un papel central en el proceso de traducir el diseño y programa de un movimiento a la ejecución del mismo.

La entrada de información a los ganglios basales ocurre a través del núcleo estria-do, formado por el putamen y el núcleo caudado; la vía de salida hacia el tálamo puede ser por el globo pálido o por la pars reticulata (parte reticular) de la sustancia negra. Los axones de la pars compacta (parte compacta) de la sustancia negra proyectan hacia el núcleo estriado, región que es de gran relevancia para el funcionamiento normal de los ganglios basales.

Funcionalmente se reconoce que la información nerviosa es procesada por estos núcleos, de manera paralela y relativamente independiente, a través de tres circuitos separados: el circuito esqueleto-motor recibe entradas de la corteza premotora, mo-tora y somatosensorial, que llegan al putamen, al segmento interior del globo pálido o a la región caudo-lateral de la pars reticulata, entonces, a través del núcleo motor talámico, regresa la información al área 6 de la corteza motora.

Los registros eléctricos de la actividad neuronal en animales, han mostrado que la actividad de estos núcleos tiene una correlación unívoca con la actividad muscular; esto es, ciertas neuronas se activan sólo durante ciertos movimientos, y en particular con algún parámetro de dicho movimiento, como su fuerza, aceleración o dirección.

El circuito óculo-motriz

El circuito óculo-motriz, como lo sugiere su nombre, participa en el control de los movimientos oculares. Este circuito recibe entradas de las áreas 7 y 8 de la corteza parietal, que van hasta la región interna del globo pálido, o a la región ventrolateral de la parte reticular de la sustancia negra. Proyectan sus axones hasta el núcleo talámico y vuelven al campo visual frontal. Algunos axones de la parte reticular van hacia el colículo superior, que participa también en el control de los movimientos oculares.

Circuitos complejos

Existe una evidencia anatómica importante sobre la organización de varios circuitos complejos originados en las áreas de asociación de la corteza cerebral y que regre-san a estas mismas zonas (corteza prefrontal y dorso lateral, corteza orbitofrontal lateral), pasando por los ganglios basales y los núcleos talámicos asociados. Confor-

306 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

me se recorre la escala filogenética se encuentra que hay un marcado aumento en el tamaño y la complejidad de estas estructuras, de manera que en el hombre se encuentran muy desarrolladas. Usando registros intracelulares de la actividad neuronal, o mediante estudios en pacientes con lesiones cerebrales y/o procesos quirúrgicos de ablación, se ha podido establecer la participación de estos circuitos en la regulación del hambre o la conducta sexual, también participan en procesos tan complicados como la motivación, la selección de estrategias para realizar una tarea y el desempeño cognitivo.

Los sistemas neuroquímicos de estas estructuras son fundamentalmente las vías de entrada corticales glutamatérgicas, el sistema nigro-estriatal dopaminérgico que se origina en la pars compacta de la sustancia negra, influencias serotoninérgicas que recibe desde el núcleo del rafé, y noradrenérgicas que provienen del locus coerulus. Asimismo existen importantes circuitos locales de naturaleza colinérgica y gabaér-gica, modulados por una diversidad de neuropéptidos. Los síntomas que acompa-ñan a los desórdenes motores asociados con los ganglios basales se clasifican como menores y serios. Entre los desórdenes menores tenemos la akinesia (incapacidad o dificultad para realizar algún movimiento); rigidez (exacerbado tono muscular); atetosis (ejecución de movimientos ondulantes); balismo (movimientos involunta-rios muy dirigidos espacialmente); coreas (movimientos como sacudidas rápidas) y tremor (temblor fino que subyace a los movimientos).

Dentro de la segunda categoría de síntomas se describen signos de sobreexcitabi-lidad, los cuales se han interpretado como desinhibición de alguno de los sistemas neuronales de control. De ahí que el enfoque predominante haya buscado describir las alteraciones de los ganglios basales con base en el exceso o déficit de uno o varios de los neurotransmisores involucrados. Tal es el caso de los modelos de parkinso-nismo, que reproducen muchos de los signos y síntomas de esta enfermedad, tras la lesión de los sistemas dopaminérgicos. La terapia más empleada en este tipo de pacientes es la administración de un precursor de la dopamina, la l-dopa, capaz de permear la barrera hematoencefálica. Con ello se busca restituir los niveles norma-les de este neurotransmisor y se corrige temporalmente la akinesia, que es el princi-pal síntoma, aunque el tremor y la rigidez se subsanan en menor medida. También se han ensayado terapias de reposición de los sistemas neuronales dañados a partir de autotrasplantes o trasplantes de tejido embrionario, y más recientemente se ha ensayado la instalación de microelectrodos de estimulación que funcionan como marcapasos de la actividad neuronal.

Otros problemas motores, como los balismos y las coreas, se han relacionado con una hipofunción de los sistemas gabaérgico y colinérgico.

El cerebelo

El cerebelo participa en la ejecución de movimientos de gran precisión, y mejora en general el desempeño motor al comparar continuamente los comandos descenden-tes (los que viajan del cerebro hacia la médula espinal) con la información sensorial

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 307

que proviene de los músculos. Mucho de lo que se conoce acerca de la función cerebelar es producto de estudios neurológicos.

Los pacientes con lesiones cerebelares (tumores o en la esclerosis múltiple) no están paralizados ni sus sensaciones afectadas. su sintomatología se caracteriza por algunas anomalías en la realización y desarrollo de los movimientos en sus detalles más finos, así como por una falta de armonía entre los movimientos y las posturas adquiridas. En estos pacientes se afectan principalmente las secuencias de movi-mientos muy complejos, en las que participan de manera conjunta y coordinada varios grupos de músculos. Asimismo, se observan dificultades para interrumpir de manera repentina y rápida algún movimiento; problemas en la coordinación de los músculos del habla o dificultades para mantener posturas estables de los brazos o la cabeza cuando se tienen los ojos cerrados. Todas estas deficiencias ponen de manifiesto la importante función integradora que realiza el cerebelo. Dado que re-cibe abundante información desde las vías eferentes corticales, se lo ha relacionado también con la fase de preparación o programación de los movimientos.

Otra característica notable de esta estructura nerviosa es su enorme plasticidad, es decir, su capacidad de adaptación. En muchas situaciones clínicas o experimenta-les, como por ejemplo cuando se coloca un prisma enfrente de los ojos para alterar la visión, se observa que al girar o rotar la cabeza ya no se producen los movimientos oculares reflejos que compensan la posición de los ojos por el desplazamiento de la cabeza. Como consecuencia, el sujeto de estudio tiene inicialmente muchos proble-mas para moverse; sin embargo, en cuestión de unos pocos días aprende a ajustarse a esta entrada visual alterada. Datos obtenidos de animales con lesiones cerebelares inducidas revelan la importante participación del cerebelo en estos procesos de aprendizaje motor.

iv. modelos de control motriz

La enorme complejidad de los sistemas motrices en vertebrados ha hecho que la evidencia experimental se una al modelado, comparando continuamente la fisio-logía de estos sistemas con el modo de operación de sistemas de control, como los descritos en el capítulo sobre homeostasis y adaptación, en el primer volumen del libro. Este tipo de aproximación, además de ayudar a explicar algunos de los me-canismos fisiológicos, permite el diseño de nuevas estrategias experimentales para entender los circuitos y cómo funcionan. A continuación se explican brevemente dos de estos modelos, el de retro-regulación negativa y el de antero-regulación.

Regulación por retro-regulación negativa

Al iniciar cualquier movimiento voluntario nos encontramos normalmente lejos de la posición final deseada. Durante el desarrollo del movimiento se corrigen la

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dirección, posición y velocidad del mismo hasta lograr nuestro objetivo. Esto es posible gracias a los mecanismos de retro-regulación sensorial que participan en la actividad muscular, los cuales son semejantes a los sistemas de control usados en in-geniería, por ejemplo para mantener constante la temperatura de un cuarto (véase el capítulo sobre homeostasis y adaptación).

En ambos modelos se requiere comparar a cada momento la posición o el valor real de la variable que deseamos controlar (temperatura en nuestro ejemplo), con una referencia interna preestablecida; la diferencia resultante o error será la señal que permita hacer ajustes en el sistema controlador (apagar o encender un cale-factor). Este tipo de regulación se conoce como retro-regulación negativa, pues las fluctuaciones en la variable que se desea controlar sirven para ajustar en sentido inverso al sistema controlador. La figura 9.22 muestra un esquema del modelo de control por retro-regulación negativa. En el sistema motor este mecanismo funcio-na para mantener un nivel de esfuerzo constante, por ejemplo la postura vertical cuando nos hallamos en un bote en altamar.

hace algunos años, De Luca y Collins desarrollaron un modelo alternativo de control para el mantenimiento de la postura, el de Regulación con Deriva. En este modelo se plantea que el control de la postura erecta es, al menos parcialmente, un proceso estocástico. Estos investigadores aplicaron conceptos y herramientas de la mecánica estadística para analizar las trayectorias que se dibujan en una plataforma sensible a la presión cuando una persona mantiene la postura vertical. su estudio sugiere que los humanos empleamos dos mecanismos de control para mantener la posición erguida. Uno es de corto plazo, en el que la activación muscular se da sin utilizar la retro-regulación sensorial. Dado que los músculos son incapaces de producir una fuerza constante de manera absoluta, esta primera etapa se expresa con pequeñas fluctuaciones mecánicas a nivel de las articulaciones, que exhiben además cierta deriva, de ahí que se describa al proceso como estocástico. A partir de cierta posición umbral, actúan los mecanismos de retro-regulación negativa que hemos descrito, para corregir el exceso de deriva en cierta dirección, éste sería el mecanismo de control a largo plazo.

figura 9.22. control por retro-regulación negativa.

Señal de retro-regulaciónSensor

ControladorSistema

controlado

Comparador

Referencia

Error

Perturbación

Salida

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 309

Regulación anticipada o antero-regulación

Otra forma de control motriz se conoce con el nombre de antero-regulación. Como lo sugiere su nombre, en ella los ajustes se realizan antes de que ocurra el evento que pudiera influir en el sistema de control. Al lanzar una galleta a una mascota, el animal debe anticipar ‘su trayectoria’ colocar su hocico en un punto que intercep-te el alimento. El sistema de control, mostrado en la figura 9.23, debe interpretar correctamente la información visual que recibe, por lo que se ha planteado que los organismos construyen una representación interna tanto de la trayectoria del objeto (galleta) como del sistema músculo-esquelético (la cara del animal, en nues-tro ejemplo). se requiere entonces de una cierta capacidad de anticipación del sistema nervioso, de una capacidad para predecir, la cual es desde luego limitada. Ciertamente se trata de un proceso muy complicado, que no ha acabado de com-prenderse del todo.

Los mismos sistemas sensoriales participan en dos de los procedimientos de con-trol motriz que hemos mencionado: en la retro-regulación negativa y en la regula-ción anticipada. La diferencia radica en la forma en que se procesa la información en cada caso. Para la retro-regulación negativa la señal de error debe ser procesada continuamente y podría retrasar las respuestas. En la regulación anticipada la res-puesta es más rápida, pero no hay posibilidades de corrección instantánea ante alguna estimación incorrecta, por ejemplo de la fuerza de impacto.

Organización jerárquica y procesamiento en paralelo

Una vez que la mascota haya atrapado su comida requerirá un control retro-regu-lado para mantenerla dentro de su boca. ¿Cómo es que el sistema nervioso integra los comandos motores y la información sensorial?

figura 9.23. control por antero-regulación.

Señal de retro-regulaciónSensor

Controlador anticipado

Sistemacontrolado

Comparador

Referencia

ErrorSalida

Señal de ajuste anticipado

Cont. retro-regulado

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Existen varios modelos de cómo se realiza esta integración; revisaremos breve-mente uno de los más aceptados: el modelo de organización jerárquica y proce-samiento en paralelo. En este modelo se plantea que los mecanismos de control básico, como los que hemos descrito, operan a diferentes niveles del sistema ner-vioso central: la médula espinal, el tallo cerebral y la corteza motora. La médula espinal y el tallo cerebral tienen la facultad de generar patrones de actividad de gran complejidad espacio-temporal, ya sea como reflejos o como patrones rítmicos. De esta forma los centros superiores de la corteza motora producen comandos re-lativamente generales, sin tener que especificar los detalles con que debe realizarse una actividad motriz. sin embargo, gracias a la organización en paralelo, la corteza motora puede enviar comandos que actúen directamente sobre los últimos niveles de control (en el nivel de la médula espinal), para ajustar de manera voluntaria el desarrollo de una respuesta refleja. Imagínate por ejemplo el caso de un vaso demasiado caliente en tu mano: lo sueltas instantáneamente, sin pensarlo. Pero qué harías si ese objeto es la taza de porcelana favorita de tu mamá; harás todo tu esfuerzo voluntario para no soltarla antes de alcanzar una mesa.

Los mismos grupos de interneuronas espinales que organizan las respuestas re-flejas participan en las respuestas voluntarias. En el nivel del tallo cerebral se integra la información visual, vestibular (relacionada con audición y equilibrio) y somato-sensorial; desde ahí se realiza una importante modulación de los circuitos espinales. Además los núcleos del tallo cerebral controlan los movimientos de los ojos y la cabeza (véase el esquema de la figura 9.21).

En la corteza motora se reconocen tres regiones: corteza primaria, corteza lateral premotora y área motora suplementaria. Cada una de ellas proyecta directamente a lo largo de la médula espinal a través de los tractos córtico-espinales, e indirecta-mente vía el tallo cerebral (figura. 9.21). Las áreas lateral premotora y suplemen-taria participan en la planeación y coordinación de secuencias complejas de movi-mientos, y reciben información de otras regiones del cerebro, especialmente de las cortezas de asociación. Debemos mencionar que cada componente del sistema de control motor contiene un mapa somatotópico (mapa corporal), en él se preservan las relaciones espaciales; es decir, las neuronas que influyen regiones adyacentes del cuerpo están dispuestas unas al lado de otras.

También es característico de todos los niveles de operación que reciban informa-ción de la periferia, por lo que la información sensorial puede modificar los coman-dos provenientes de centros corticales. Pero al mismo tiempo los centros superiores pueden controlar la información sensorial que les llega, facilitando o suprimiendo la transmisión sináptica en el nivel de las entradas sensoriales. La organización en paralelo de estos sistemas de control motor permite que si una de las vías llega a lesionarse las restantes puedan, en alguna medida, restituir sus funciones.

Otros núcleos importantes en la regulación de las conductas motrices son el cerebelo y los ganglios basales, mencionados en la sección anterior. El cerebelo participa en la ejecución de movimientos de gran precisión, y mejora en general el desempeño motor al comparar continuamente los comandos descendentes (los que viajan del cerebro hacia la médula espinal) con la información sensorial que

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 311

proviene de los músculos. Los ganglios basales reciben entradas sinápticas de todas las áreas de la corteza, y proyectan principalmente al área de la corteza frontal, por lo que participan en la planeación y organización de los movimientos.

Filogenéticamente, las vías que van de la corteza al tallo cerebral y a la médula espinal aparecen por primera vez en los mamíferos. En los más primitivos los mapas corporales de representación sensorial y motriz se superponen, mientras que en los mamíferos más evolucionados estos mapas corporales están en regiones separadas de la corteza, por lo que podemos pensar que estarían mejor definidos en los ani-males más evolucionados. Un rasgo característico en la filogenia de los primates es que el número de terminaciones córtico-espinales sobre las motoneuronas va au-mentando progresivamente de los prosimios a los monos antropoides y homínidos, lo que probablemente implica la capacidad de un control voluntario más fino.

En la mayoría de los carnívoros las fibras córtico-espinales llegan exclusivamente a la región donde terminan las fibras sensoriales (asta dorsal y núcleo intermedio de la médula espinal), sin conexión directa sobre las neuronas motoneuronas. De-duciríamos de esto, que la modulación voluntaria sobre una respuesta motriz en es-tos animales tendría que darse con cierto retraso y de manera un poco difusa, en el nivel de las terminaciones sensoriales intraespinales, o a través de las interneuronas que hacen sinapsis sobre las motoneuronas.

v. categorización de estímulos y selección conductual

Dentro del repertorio conductual de un organismo existe una diversidad de res-puestas a estímulos ambientales. Muchas de estas respuestas son antagónicas entre sí, como la marcha de frente y la marcha hacia atrás; otras son complementarias y forman secuencias de eventos. generar la respuesta apropiada para cada exigencia e inhibir las conductas incompatibles requiere mecanismos de categorización de estímulos y de selección conductual. Un ejemplo de esto son las respuestas a la luz en el acocil.

La luz tiene un doble efecto en la conducta de los acociles: las bajas intensidades los atraen, mientras que las altas intensidades producen la huida (figura 9.24). Estas respuestas están acopladas a las variaciones ambientales de la intensidad luminosa y son de una gran importancia adaptativa para los animales, durante las salidas de las madrigueras a bajas intensidades luminosas se llevan a cabo la alimentación y las interacciones sociales. Por otra parte, durante los periodos de altas intensidades luminosas los animales permanecen en sus madrigueras, evitando de esa manera ser presas de sus depredadores. Esto plantea la necesidad de un mecanismo de categorización de estímulos y de selección conductual para dar lugar a conductas opuestas a partir de variaciones en la intensidad del mismo estímulo.

El mecanismo de selección conductual en el acocil está determinado por el di-seño del sistema visual y por las conexiones que establecen las neuronas sensoriales con las neuronas de comando. La respuesta de atracción está restringida a un inter-

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valo de baja intensidad de luz. Intensidades mayores a 2.5 luxes inhiben la respues-ta de atracción y generan la respuesta de huida. Ambas conductas son altamente estereotipadas: en la atracción los animales salen de sus madrigueras con un patrón de marcha de frente con abdomen extendido, mientras que en la huida la marcha es siempre hacia atrás, con flexiones abdominales cíclicas. Ambas conductas son idénticas a las que se producen artificialmente al estimular algunas neuronas de comando mencionadas antes, lo que sugiere que la selección conductual ocurre en una etapa anterior.

En el acocil hay neuronas visuales que responden a la intensidad luminosa me-diante ráfagas de impulsos. Durante la iluminación responden con una frecuencia proporcional a la intensidad luminosa, por lo que Wiersma las llamó “neuronas de respuesta sostenida”. En cada nervio óptico hay 14 de estas neuronas, cada una con un campo visual bien definido. Como se muestra en la figura 9.25, algunas de ellas responden en el intervalo de intensidades luminosas que provoca la atracción, mientras que otras lo hacen en el intervalo de iluminación que produce la respuesta de huida. Por esta razón las neuronas visuales han sido subdivididas en neuronas de bajo umbral y de alto umbral según su correlación con las respuestas de atracción y huida, respectivamente. se sugiere que las neuronas de bajo umbral se conectan con las neuronas de comando generadoras de la marcha de frente, mientras que las de alto umbral se conectan con las neuronas de comando generadoras de la marcha hacia atrás.

figura 9.24. las respuestas de atracción y huida en el acocil. Panel izquierdo, represen-taciones esquemáticas de las conductas de atracción y huida respectivamente. Panel derecho, relaciones de latencia de las respuestas de atracción y huida en función de la intensidad luminosa. Como puede verse ambas respuestas tienen funciones inversas.

atracción

huida

Madriguera –1 0 1 2 3 4 5

–1 0 1 2 3 4 5

Log I (Ix)

Late

ncia

(min

)

12

6

0

12

6

0

9. la conducta y el control motriz 313

estas respuestas se han podido reproducir en acociles sujetos sobre una banda móvil, lo que permitió correlacionar la locomoción con la actividad neuronal uni-taria. en el intervalo de iluminación que induce la respuesta de atracción las neu-ronas visuales sincronizan su actividad y generan ráfagas de impulsos. la respuesta en ráfagas favorece la sumación temporal en las células postsinápticas y ocasiona un aumento de la eficiencia sináptica. en el intervalo de iluminación que produce huida las neuronas visuales de alto umbral responden en su intervalo dinámico y las neuronas de bajo umbral pierden la sincronía en sus ráfagas reduciendo su efi-ciencia sináptica. con la desincronía de las ráfagas la vía de atracción se desconecta funcionalmente “limpiando” la vía de la respuesta de huida de interferencias prove-nientes de la vía antagonista. de este modo se selecciona la respuesta de huida.

en la selección de la respuesta de atracción intervienen mecanismos distintos. en el intervalo de iluminación que da lugar a la respuesta de atracción, también se activan las neuronas de alto umbral a frecuencias bajas, pero suficientes para inhibir las neuronas de bajo umbral. esto se correlaciona con un aumento en la latencia de la respuesta de atracción, posiblemente debida a inhibición recíproca. la respuesta de atracción se da cuando el ojo se adapta a la luz lo suficiente para reducir la frecuencia de descarga de todas las neuronas visuales, “apagando” las neuronas de alto umbral.

la categorización de estímulos en relación con la selección conductual también se ha estudiado en primates. al entrenar primates para reconocer estímulos senso-riales aplicados a la piel de un dedo, el grupo de romo ha detectado diferencias en la tasa de disparo de neuronas corticales, en función de la velocidad a la que se mueve el estímulo. las pruebas conductuales consisten en entrenar a monos para que presionen un botón cuando detectan “baja velocidad” (menor a 20 mm/s) y

A

figura 9.25. respuesta a la luz de dos diferentes neuronas de respuesta sostenida, y su relación con las conductas de atracción y huida. a] la neurona 02 responde en el inter-valo de luz que induce atracción, mientras que la neurona 030 responde predominantemente en el intervalo que produce la huida. b] los registros de la neurona 02 muestran respuestas en ráfagas ante intensidades luminosas que producen atracción, pero a intensidades luminosas que producen huida las ráfagas se desincronizan.

B

Luz

1.0 Ix

5.5 Ix

100 ms 10 s

O2

Atracción HuidaFr

ecue

ncia

(Hz)

300

200

100

0

O2

O30

–2 –1 0 1 2Log I (Ix)

314 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

otro cuando la velocidad que perciben es “alta” (mayor a 20 mm/seg). Los regis-tros de actividad unitaria de neuronas en varias áreas cerebrales, aunados a algu-nos experimentos con lesiones selectivas en las regiones sensoriales primarias de la corteza, muestran que la categorización de la velocidad no ocurre en las zonas sensoriales primarias. sin embargo, en la corteza premotora, el putamen y la corteza motora primaria, se han encontrado neuronas que responden a los estímulos de manera categórica.

La figura 9.26 muestra la actividad de dos neuronas registradas en el área pre-motora medial, cada una de las neuronas tiene respuesta diferencial a la velocidad del estímulo. Ambas neuronas incrementaron su actividad al término del estímulo y cesaron su actividad cuando el animal soltó la palanca, pero una de las neuronas respondió selectivamente a estímulos de baja velocidad, mientras que la otra res-pondió sólo ante estímulos de alta velocidad.

vi. neuromodulación y hormonas en los cpg

La definición de los elementos de un circuito neuronal no es algo acabado o rígido, recordemos que todo el sistema nervioso constituye una red con entradas y salidas múltiples. si definimos un circuito a partir de las células activas durante una tarea o conducta determinada podemos dejar fuera otras posibilidades, pues al produ-

figura 9.26. Respuesta de neuronas del área premotora medial durante la categorización de estímulos a bajas (a) y altas (b) velocidades. Los números en el centro muestran la velocidad del estímulo (mm/s) aplicado a uno de los dedos de la mano izquierda. La barra al centro muestra el inicio (i) del estímulo. Las neuronas responden entre el término del estímulo (t) y el momento en que el animal deja de percibir el estímulo y retira la mano de la palanca (fp, fin de la percepción).

BA

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

i t fp i t fp

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 315

cirse otra conducta o patrón de actividad quedan incorporadas nuevas neuronas, o bien las que se encontraban activas inicialmente aparecen como elementos de otros “subcircuitos”. Las respuestas conductuales cambian a lo largo del día o de la vida del animal. En este fenómeno desempeña un papel fundamental la influencia hormonal y de los neuromoduladores.

Diversos grupos de investigadores han mostrado que las influencias hormonales o de neuromoduladores pueden transformar la organización sináptica de un cir-cuito y conferirle funciones diferentes, es decir, que un circuito neuronal puede presentar varios “modos” de operación. Los neuromoduladores generalmente alte-ran las propiedades intrínsecas de las membranas neuronales, como por ejemplo las conductancias que originan despolarizaciones sostenidas, o las que ocasionan “rebotes” despolarizantes posteriores a inhibición, y actúan casi siempre sobre los canales iónicos dependientes de voltaje. También pueden cambiar la fuerza de las interacciones sinápticas químicas o eléctricas entre los miembros de un circuito, o bien, puede darse una combinación de estos efectos. Más aún, se ha visto que los neuromoduladores pueden ser co-liberados por una misma neurona dando lugar a interacciones complejas y de efectos múltiples, y ampliando el espectro de opera-ción de los núcleos neuronales.

Típicamente los neuromoduladores ejercen sus efectos más lentamente y a más largo plazo que los neurotransmisores, cuyo efecto es inmediato y de corta dura-ción. Aunque desde luego hay excepciones. En Tritonia el patrón de disparo de los potenciales de acción, determina los efectos de los neuromoduladores liberados hacia el propio circuito motor que controla las respuestas de huida. En otros casos, la información de las entradas sensoriales es relevante para regular a las neuronas moduladoras.

A medida que se han introducido técnicas de la biología molecular al estudio de la neurofisiología, se dispone de nuevas herramientas para identificar y caracterizar a los neuropéptidos. Por ejemplo se ha usado la espectrometría de masas por ioniza-ción láser asistida por microarreglos o matrices, para identificar el contenido total de péptidos de una neurona o de pequeñas muestras de tejido, para obtener sus peptidomas. Así, ha sido posible mostrar que un mismo neuropéptido es activo no sólo en el cpg somatogástrico de los crustáceos, sino también en su cpg cardiaco. Con un enfoque parecido se han estudiado los péptidos liberados por estimulación eléctrica a un ganglio específico, corroborando algunos hallazgos previos obtenidos con técnicas inmunohistológicas, pero también encontrando nuevos péptidos, des-conocidos hasta ahora.

En Aplysia se descubrieron mediante identificación de genes por hibridización in situ, dos péptidos que son producidos y liberados por la misma neurona, ambos incrementan la transmisión sináptica entre el mismo grupo de neuronas del cpg cerebro-bucal que regula la conducta de alimentación, pero emplean diferentes mecanismos: uno produce aumento de las vesículas de neurotransmisores, y el otro aumenta el tamaño de los cuanta. juntos tienen un efecto sinérgico.

De especial interés son los resultados obtenidos por el grupo de Eve Marder, quienes muestran que las redes neuronales de los ganglios somato-gástricos de

316 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

crustáceos, pueden dar lugar a los mismos patrones de actividad con diferentes propiedades celulares, y han visto además que las mismas células estudiadas en dife-rentes ejemplares, tienen diferentes densidades de canales iónicos. En ese sentido, algunos trabajos realizados con modelos computacionales de circuitos neuronales, muestran que se pueden obtener patrones de actividad idénticos, con diferentes combinaciones de corrientes iónicas en las células modeladas.

Aunque generalmente los músculos que se activan como consecuencia de los comandos motores se consideran solamente efectores, pasivos, recientemente se ha encontrado evidencia de que algunos músculos pueden liberar neuromoduladores que actúan tanto sobre los cpg que los activaron, como sobre ellos mismo, tal es el caso del óxido nítrico (NO) y de la dopamina en el corazón neurogénico de los crustáceos.

A nivel conductual también puede evaluarse la influencia de los neuromodulado-res. En organismos como la langosta, la aplicación de serotonina o de octopamina induce las posturas características de dominancia o de sumisión respectivamente. Los animales dominantes se paran en la punta de las patas con el abdomen con-traído y los quelípedos elevados. Los animales subordinados adoptan una posición con las patas, los quelípedos y el abdomen extendidos. En preparaciones aisladas, la serotonina facilita el disparo de las motoneuronas excitadoras de los flexores y de inhibidoras de los extensores. simultáneamente hay inhibición de la vía antago-nista: las motoneuronas excitadoras de los extensores y las inhibidoras de los flexo-res reducen su frecuencia de disparo. La octopamina tiene el efecto exactamente opuesto. Facilita las motoneuronas excitadoras de los extensores y las inhibidoras de los flexores, a la vez que inhibe a las excitadoras de los flexores y las inhibidoras de los extensores. Estas acciones diversas se explican en parte, por los diversos sub-tipos de receptores asociadas a los neurotransmisores y neuromoduladores.

vii. adaptaciones de los organismos a su entorno

y demandas metabólicas de la locomoción

En esta sección abandonaremos la descripción del control neuronal y hormonal de la locomoción, para analizarla desde el punto de vista de la adecuación de los orga-nismos a su ambiente físico y algunos requerimientos metabólicos involucrados, sin olvidar que la integración de todos los procesos que participan estará mediada por el control neuroendócrino.

Carrera

Los animales que corren sobre superficies horizontales usan su energía de tres for-mas fundamentales:

1] Para acelerar/desacelerar rítmicamente sus extremidades.

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 317

2] Para subir y bajar continuamente su cuerpo.3] Para contrarrestar la fricción del aire.La fricción del aire al caminar, puede considerarse por lo general despreciable;

se calcula a partir de consideraciones físicas acerca de la dinámica de los fluidos y de mediciones directas en modelos de animales con áreas iguales a las del animal que corre. Pero también puede hacerse a partir de medir el consumo de oxígeno de un animal que corre enfrentando vientos de diferentes velocidades.

En la mayoría de los estudios realizados se ha encontrado que la energía necesa-ria para vencer la resistencia del aire representa cerca de un 8% de la energía total en un hombre que corre a velocidad moderada, y aumenta linealmente con el cua-drado de la velocidad. En resumen, correr a baja velocidad o caminar representa un gasto energético prácticamente despreciable para vencer la resistencia del aire. Desde luego la situación es diferente cuando se trata de caminar o correr cuesta arriba. Levantar un cuerpo de un Kg un metro de altura requiere casi 0.5 ml de O2. si recordamos que la eficiencia metabólica del tejido muscular es del orden del 20%, se requerirán 2.5 ml de O2, ya se trate de animales grandes o pequeños.

sin embargo, si el costo metabólico por unidad de peso desplazado es el mismo para animales de diferentes tamaños que suben una cima, podemos predecir que les resultará más fácil trepar a los animales pequeños que a los grandes. sabemos por capítulos anteriores que los animales más pequeños tienen una tasa metabóli-ca basal/unidad de peso considerablemente más alta que la de los animales gran-des (alrededor de 15 veces entre un ratón y un caballo). Los datos experimentales muestran que, para un ratón, caminar por una pendiente de 15 grados no aumenta de manera significativa su consumo de O2, mientras que para un chimpancé casi lo duplica. A un animal pequeño, dada su elevada tasa metabólica basal por unidad de peso, le resulta prácticamente lo mismo subir o bajar.

Salto

Caminar y correr significan subir y bajar el cuerpo rítmicamente. hemos dicho que la eficiencia metabólica del tejido muscular es cercana al 20%. sin embargo, cuando se han hecho estudios en personas que corren sobre una plataforma que permite registrar la fuerza desarrollada y el consumo de O2, se ha encontrado una eficiencia aparente del 50%. ¿qué es lo que ocurre? Pues que 1as estructuras mus-culares (tendones y músculos) tienen importantes propiedades elásticas (recuerda lo estudiado en un capítulo sobre músculos), lo cual permite que una considerable cantidad de energía cinética, cerca de la mitad, se conserve como energía potencial y sea recuperada durante el estiramiento elástico. Para experimentar claramente esta ventaja mecánica, podemos comparar el desempeño alcanzado al realizar de manera consecutiva unas veinte sentadillas, y cuando entre una y otra esperamos poco más de un segundo.

¿Podrías discutir por qué animales saltadores como la rana, el chapulín y el can-guro presentan sus extremidades posteriores plegadas? ¿Por qué para alcanzar ma-

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yor altura en un salto nos flexionamos inicialmente? (figura 9.27). Debes recordar que en los animales mencionados los músculos de las extremidades posteriores es-tán muy desarrollados, y de lo visto en capítulos anteriores, que la fuerza que puede alcanzar un músculo es proporcional al área de su sección transversal, mientras que el acortamiento depende de la longitud inicial. Por lo tanto el trabajo desarrollado por un músculo (fuerza x distancia) es proporcional a su masa, y en consecuencia, a la masa corporal.

Podrías ahora contestar ¿por qué una langosta (ortóptera) puede saltar una dis-tancia de 50 veces su tamaño y un humano no?; ¿cómo se relaciona la distancia de despegue con el tamaño corporal y la aceleración obtenida?; ¿qué papel tiene la fuerza de gravedad?

En algunos insectos, como la pulga, la distancia de despegue es muy reducida; sus músculos no podrían acortarse tan rápido como para darle la aceleración sufi-ciente que le permite saltar. En estos organismos funcionan los principios de la ca-tapulta y almacenan energía elástica en una región de sus patas traseras, formada de un material característico, la resilina. La resilina es una proteína con propiedades semejantes a las del hule, cuya recuperación elástica es cercana al 100 por ciento.

Vuelo

La capacidad de desplazamiento a través del aire ha aparecido de manera inde-pendiente cuatro veces en la historia de los animales: en los insectos, las aves, los reptiles extintos y algunos mamíferos. Como puedes ver, la masa corporal de los animales que vuelan activamente varía entre poco más de 1 µg en algunos insectos diminutos hasta más de 10 Kg para ciertas aves. El vuelo es un problema de gran interés para fisiólogos, anatomistas, morfólogos, ecólogos, físicos estudiosos de los fluidos, etcétera.

La fuerza experimentada por un animal volador tiene dos componentes: la fuer-za de sustentación (perpendicular a la dirección del movimiento), que debe ser igual a su peso, y la de arrastre (paralela al movimiento), que es desde luego una fuerza dilatoria: el animal debe realizar trabajo para vencer la fricción que produce al desplazarse. Una característica notable de los animales voladores es que ambos

figura 9.27. El plegamiento de las patas permite aumentar el tiempo de contacto con la superficie y por lo tanto el impulso logrado.

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 319

componentes de fuerza son producidos por las mismas superficies. quizá la idea más importante que debemos descartar es que las fuerzas de propulsión generadas por las alas se dan simplemente como reacción al movimiento del aire que ocasio-nan los aleteos hacia arriba y hacia abajo; esta idea ha sido muy común.

El perfil de las alas de un ave es determinante de los movimientos producidos en el aire que las rodea. Dado que este perfil no es rectilíneo, la magnitud y dirección de la velocidad varían en diferentes porciones de las alas, y con ello varían también los componentes de sustentación y arrastre. La fuerza total experimentada por el animal, es el vector resultante de todas estas fuerzas locales con diferentes direccio-nes y velocidades. Para producir una fuerza propulsora las alas deben moverse hacia arriba y hacia abajo, con lo que la suma de los componentes locales de sustentación y arrastre logra un componente positivo hacia el frente. Durante el batido hacia arriba las alas se flexionan un poco para reducir el frenado por fricción; todo el soporte al peso corporal se recibe durante el batido hacia abajo.

Otro aspecto importante que consideran los modelos recientes que explican el vuelo, es el fluido (aire) en el cual ocurre el movimiento y no sólo las alas; las fuer-zas aerodinámicas que se generan durante el vuelo no son estables, y esta inestabi-lidad es en parte responsable de la capacidad de vuelo. Las irregularidades en el movimiento de un fluido se describen como vorticidades. Y si bien la vorticidad es un concepto de gran precisión matemática, podemos describirla como una medida de la rotación en la velocidad de un fluido en movimiento. si porciones del fluido están girando localmente sobre su propio eje durante el movimiento global, se dice que hay vorticidades, y sin vorticidades no hay vuelo.

Los vórtices son siempre cerrados. En el caso de las aves se producen sólo duran-te el batido hacia abajo, desde una de sus alas hacia la otra, de manera que cuando vuelan van dejando tras de sí una estela de vórtices. su principal característica es que el flujo de aire a través de ellos es inestable e irregular, como resultado directo de las oscilaciones del aleteo, La cadena de estos vórtices elípticos que van quedan-do detrás transmiten su impulso (cantidad de movimiento) al ave.

Desde el punto de vista anatómico, los músculos pectorales responsables de vue-lo representan un 15% de la masa corporal, independientemente del tamaño del animal. sin embargo, los músculos responsables del batido ascendente de las alas

figura 9.28. a] Los músculos del vuelo en el colibrí representan cerca del 30% de su masa corporal. sus hábitos de revoloteo demandan un gran esfuerzo muscular. b] Las dimensiones de la aleta caudal de los túnidos les brindan una mayor relación sustentación versus arrastre, lo cual reduce su gasto energético.

A B

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conforman apenas el 10% de toda la masa muscular dedicada al vuelo, por lo que no puede atribuírseles un papel fundamental. Como siempre, sabemos de una excep-ción. En los colibríes los músculos de vuelo representan entre 25 y 30% de la masa corporal, y sus músculos de batido ascendente constituyen un tercio de los músculos de vuelo, lo cual está muy relacionado con el hecho de que se tiene una mayor de-manda energética para revolotear que para el vuelo con desplazamiento (fig. 9.28).

Nado

Entre las más de 18 mil especies de teleósteos y 500 de elasmobranquios se presenta una amplia variedad de adaptaciones para el nado, que van desde las estrategias de flotación hasta cambios en estructuras corporales y disposición de aletas. La evolu-ción de los mecanismos de nado puede entenderse en la dirección de reducir el gas-to energético implicado, aumentar la aceleración y velocidad máximas, y ampliar las capacidades de maniobra de los peces.

Nadar es en principio una forma de locomoción muy semejante al vuelo, con la ventaja de que la mayor densidad del agua facilita la sustentación, y en algunos animales toda la energía puede ser empleada como empuje para el desplazamiento. sin embargo, la viscosidad y densidad del agua no permiten que los peces se despla-cen tan rápido como las aves.

Los estudios electromiográficos muestran que durante el nado lento los peces activan la capa más superficial de sus músculos —los músculos rojos—, y que pue-den ser activados uno solo o varios de los miotomos. Al aumentar la velocidad de nado se activan los músculos de las capas más profundas; los últimos en activarse son los músculos blancos, rápidos y anaeróbicos. Conforme un pez se desplaza en el agua vemos que mueve su cola de lado a lado; la cola ondula en el agua. Aunque las fuerzas que actúan sobre la cola la doblan, persiste un ángulo respecto a su eje; se originan pues componentes de fuerza de sustentación y de arrastre. Para reducir la energía consumida durante la locomoción por nado debe aumentarse la razón entre la fuerza de sustentación y la fuerza de arrastre. Esta relación depende de la forma de la aleta (o de las alas, en las aves). La razón sustentación/arrastre es alta cuando la altura de la aleta caudal es grande comparada con la distancia media antero-posterior de ella misma. Observa por ejemplo la aleta caudal de los túnidos, nadadores perennes, en la figura 9.28B.

Los movimientos de natación de un pez no son tan simples como podría parecer. No sólo se dobla para uno y otro lado; el cuerpo es impulsado hacia el frente me-diante ondas transversales que se propagan en sentido rostro-caudal aumentando de amplitud progresivamente. En la mayoría de los peces no alcanza a apreciarse este aumento paulatino de amplitud, pero resulta muy evidente en peces elonga-dos, como las anguilas.

La energía consumida para nadar a una velocidad dada es menor cuando se pro-ducen ondas que se propagan a lo largo del cuerpo que si solamente se pliega el cuerpo hacia uno y otro lado, dando lugar a las ondas que ya hemos mencionado.

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 321

También resulta menor cuando las ondas aumentan gradualmente de amplitud en el sentido de su propagación que cuando son de amplitud constante. Por último, el con-sumo de energía se minimiza cuando la velocidad de nado de un pez es apenas algo menor que la velocidad a la que se propagan las ondas de contracción a lo largo de su cuerpo. Un recurso muy importante para la mayoría de los teleósteos es el control de su flotación a través de una vejiga natatoria, mecanismo que revisaremos en seguida.

Flotación

si un animal que nada es más pesado que el agua parte de su energía se consume en mantenerlo a flote, reduciendo la proporción disponible para la locomoción; si el organismo pudiese tener la misma densidad que el agua dispondría de mayor energía para moverse. El asunto de la flotación es de la mayor importancia para los animales grandes; los pequeños pueden permanecer suspendidos gracias a su ma-yor superficie relativa y a sus muchos apéndices o extensiones corporales. La única vía de solución —que no implique gasto energético— para los animales de mayor talla, es la pérdida de densidad o gravedad específica. se conocen cuatro mecanis-mos por los cuales puede reducirse la densidad corporal:

1] Remplazo de los iones pesados: Mg2+ y s042-, por iones ligeros: Na+, Cl-, o h+.

2] Remoción de iones (diluir los fluidos corporales).3] Aumentar la proporción de sustancias más ligeras que el agua, aceites y grasas.4] Emplear un flotador inflable, como la vejiga natatoria. Entre los organismos que han sustituido los iones pesados por ligeros se encuen-

tran algunos calamares de aguas profundas, cuya cavidad celómica muy grande, representa casi dos tercios del animal. sus líquidos corporales son isotónicos con el agua, pero menos densos. Por otro lado la dilución de los fluidos corporales aca-rrea problemas osmóticos. Entre los invertebrados prácticamente no encontramos representantes que hayan recurrido a la dilución de 1os líquidos tisulares como mecanismo de flotación, en cambio los peces teleósteos tienen concentraciones iónicas más bajas que la del agua de mar, lo que contribuye en alguna medida a reducir su peso específico.

Respecto al incremento en la composición de sustancias más ligeras que el agua muchos animales planctónicos contienen importantes cantidades de grasa. Los elasmobranquios, que nunca presentan vejigas natatorias, poseen hígados de gran-des dimensiones, que llegan a representar casi hasta 20% del peso corporal, mien-tras que en un teleósteo apenas alcanzan 1 o 2%. Casi las tres cuartas partes de ese enorme hígado contienen aceites insaturados, como el escualeno, cuya densidad es menor que la densidad promedio de los aceites. No está claro si ésta es la razón por la que los tiburones acumulan grandes cantidades de escualeno, pero sin duda esto (aunado a la naturaleza cartilaginosa de sus huesos) les confiere ventajas para la flotación. Resulta interesante observar que las rayas y otros elasmobranquios ben-tónicos posean hígados menos desarrollados.

La vejiga natatoria de los peces es sin duda el dispositivo de flotación mejor com-

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prendido. sin embargo el mismo principio es utilizado por otros animales, como los sifonóforos, entre los cuales es bien conocida la fragata portuguesa (Physalia pe-lagica), comúnmente hallada en los mares del Atlántico Norte. Las colonias de estos animales navegan al viento sobre una cámara de gas en forma de balón de más de 10 cm. de largo, la cual contiene una elevada proporción —casi 15%— de monóxido de carbono. Este grupo de sifonóforos presenta una abertura por donde el gas puede escapar cuando ascienden, y si pierden gas es de esperarse que puedan producirlo.

En los cefalópodos como Sepia el sistema de flotación está constituido por la plu-ma, que representa cerca de un décimo del volumen total. La pluma o jibia tiene una estructura laminar peculiar: delgadas capas de carbonato de calcio reforzadas con quitina y separadas entre sí alrededor de 0.7 mm, mediante una gran canti-dad de trabéculas o pilares del mismo material. La mayor parte del espacio de este entramado está lleno de nitrógeno más un poco de oxígeno gaseoso. La gravedad específica de la pluma es de 0.6 en promedio. Como la estructura que contiene el gas es rígida, se ve muy poco afectada por cambios de presión o volumen durante el ascenso o descenso del animal.

Un mecanismo esencialmente semejante opera en el Nautilus. Cuando se forma una nueva cámara durante el crecimiento, próxima al animal, se llena inicialmen-te de líquido que contiene NaCl como soluto principal. La pared de la cámara es impermeable al agua y a gases, por lo que cualquier intercambio debe tener lugar vía el sifúnculo (fig. 9.29). El epitelio que recubre las cámaras está densamente po-blado de mitocondrias que producen la energía utilizada en el transporte activo del NaCl. Conforme el fluido camaral se diluye se produce una presión osmótica sobre el agua del interior de la cámara que la remueve y difunde gas para remplazarla, volviendo a la cámara más ligera.

En los teleósteos la presencia de vejiga natatoria se relaciona más con sus hábitos que con su taxonomía. se trata de un saco en forma oval, con paredes de tejido blando, localizado en la cavidad abdominal por debajo de la columna vertebral. Representa por lo general un 5% del volumen corporal en las especies marinas, y cerca del 7% en los organismos dulceacuícolas. La composición de su contenido gaseoso es semejante a la de la atmósfera.

figura 9.29. Las cámaras llenas de aire del exoesqueleto del nautilus permiten su flotación.

Sifúnculo

Aperturasifúnculo

9. LA CONDUCTA Y EL CONTROL MOTRIZ 323

recuadro 9.1. un buen equilibrio

Mantenerse en equilibrio sobre dos o cuatro extremidades, no es tan simple como parece. Muchos organismos podemos sostenernos sobre superficies oscilantes, como puentes o lanchas, o caminar en superficies irregulares e incluso trastabillar sin prestar demasiada atención, mientras nuestro snc integra y coordina muy diversa in-formación sensorial. sabemos ahora que en realidad se requieren unos cuantos comandos motores, para generar los patrones espa-ciales de activación muscular que posibilitan este balance.

Al activar varios músculos con una sola señal comando, se generan movimientos mul-tiarticulares, a esto se llama sinergia muscular, si agregamos otros cuantos comandos podremos producir un repertorio locomotor muy complejo, desde luego necesitando ajustes temporales. sin embargo, se conocen poco los mecanismos de control involucra-dos. Como los ajustes deben ser continuos, no puede pensarse en una estrategia de antici-pación, ni de respuestas espinales, se requiere de una integración compleja de múltiples señales sensoriales, probablemente a nivel de tallo cerebral. se trata además de una tarea autonómica, que no requiere planear trayectorias.

Lockhart y Ting han planteado un modelo de control en mamíferos (gatos) que con-sidera ajustes dinámicos sólo sobre el Centro de Masa Corporal, y con ello se logra una buena representación de los sistemas neuromusculares involucrados. La idea de ajustar sólo el centro de masa corporal, reduce la complejidad que tendría la representación de los efectos de la gravedad sobre el cuerpo. su modelo se base en la estabilización de un péndulo invertido, al cual mediante retroalimentación se hacen los ajustes necesarios. Los patrones de actividad muscular que encuentran coinciden con los patrones predichos por los criterios de la Teoría de Control óptimo. Encuentran además que el snc usa la información de la aceleración y no de los desplazamientos, para construir sus comandos motores que regulan el equilibrio, y que un mismo comando, una misma secuencia de actividad, se registra en los grupos musculares involucrados.

fuente: D.B. Lockhart y L.h. Ting, “Optimal sensorimotor transformations for balance”, Nature. Neuroscience, 2007, 10(10).

0 100 200 300 400 500 600Tiempo (ms)

Dual-ramp perturbation180 °

270 °90 °

0 °Platform

displacement

Platformvelocity

Platformacceleration

srta

vmed

adfm

semp

sema

sten

bfma

mgas

perb

fdl

fhl

324 hORTENsIA gONZáLEZ góMEZ / jORgE N. qUEVEDO DURáN

La vejiga natatoria evita a los peces un gran gasto de energía al permitirles flotar sin ningún esfuerzo muscular. si bien el pez se encuentra en equilibrio sólo a deter-minada profundidad, la compresión casi completa de la vejiga a profundidades ma-yores sigue proveyendo al pez de una densidad menor que la del agua. En cambio, cuando asciende la situación puede ser peligrosa: la vejiga se distiende, volviendo al animal cada vez más ligero, y debe nadar para hundirse o podría perder el control. En algunas especies la vejiga natatoria se comunica con el esófago para permitir el escape de gas, pero otras poseen vejigas enteramente cerradas. Los mecanismos de llenado y mantenimiento de gas dentro de las vejigas son por demás interesantes, pero escapan a los propósitos de este capítulo.

hemos revisado en esta sección cómo los movimientos de los animales se logran con ayuda de diversos mecanismos y fuerzas. hay que recordar que a las distintas formas de locomoción subyacen principios cibernéticos, biomecánicos, fisicoquími-cos y energéticos.

referencias

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