Fonaments de Psicobiologia UVic: apunts, esquemes i test

La psicobiologia és la disciplina científica que estudia les bases biològiques de la conducta humana i dels processos mentals que la sustenten. Lluny de la visió dualista clàssica que separava el cos de la ment com a dues entitats independents, la psicobiologia moderna concep el comportament com una propietat biològica de l'organisme sorgida de l'activitat integrada del sistema nerviós i endocrí en estreta relació amb l'ambient.

1. Arrels històriques i superació del dualisme

L'enfocament psicobiològic neix de la confluència de diverses disciplines: la neurociència, la psicologia científica, les ciències biomèdiques i la genètica de la conducta. La integració d'aquestes branques va requerir aportacions fonamentals al llarg dels segles XIX i XX:

• Charles Darwin i la teoria de l'evolució: va plantejar la continuïtat filogenètica en afirmar que les facultats mentals humanes difereixen de les dels animals només en grau i no en essència. Això va permetre utilitzar models animals per entendre el comportament humà, tot i que investigadors posteriors com Martin E. P. Seligman van advertir que cal prudència metodològica a l'hora de generalitzar directament els resultats entre diferents espècies.
• Santiago Ramón y Cajal i la doctrina neuronal: va demostrar mitjançant el mètode de tinció de Golgi que el sistema nerviós està format per unitats independents i discretes (les neurones) en contacte per contigüitat i mai per continuïtat física. Va establir que les prolongacions perifèriques reben senyals d'altres cèl·lules i les transmeten a través del cilindreix (axó) cap a altres neurones o estructures efectores (per a l'estudi cel·lular detallat, vegeu «Organització cel·lular del sistema nerviós — Estructura de la neurona i transport axonal»).
• William James i el funcionalisme: va assenyalar que la ment s'ha d'estudiar com un òrgan biològic adaptatiu i va introduir intuïtivament el concepte de plasticitat neuronal, entesa com la capacitat que tenen l'aprenentatge, l'adquisició d'habilitats i les experiències ambientals per modificar l'estructura física i els circuits del cervell.

2. El paradigma Estímul-Organisme-Resposta (E-O-R)

Davant del conductisme radical que plantejava un esquema simplista d'Estímul-Resposta (E-R) tractant el subjecte com una «capsa negra», la psicobiologia adopta el paradigma Estímul-Organisme-Resposta (E-O-R). En aquest model, la resposta a un mateix estímul no és directa ni universal: està mediatitzada pel processament intern que duu a terme l'organisme concret que rep la informació.

El flux del processament psicobiològic segueix una seqüència estructurada:

1. Estímul: Qualsevol variació física o química de l'entorn intern o extern amb capacitat de provocar una activació sensorial en el subjecte.
2. Receptors sensorials: Estructures cel·lulars especialitzades a captar aquesta energia física o química i transmutar-la (transducció sensorial) en codi neuroelèctric.
3. Sistema nerviós central: Xarxa que integra, emmagatzema i processa les dades sensorials, computant el patró de resposta idoni segons l'estat intern i les experiències prèvies de l'organisme.
4. Efectors: Sistemes biològics que executen de manera física o fisiològica l'acció dictada pel sistema nerviós, que poden ser tant la musculatura (resposta motriu) com les glàndules secretores (resposta neuroendocrina).

3. Determinants de la conducta: Filogènia i Ontogènia

La resposta que dona un organisme davant d'una situació ve determinada per la conjunció de dos factors temporals complementaris:

• Causes llunyanes o filogenètiques: Corresponen a la història evolutiva de l'espècie. Queden fixades en el cabal genètic comú i determinen les pautes generals de comportament, els òrgans sensorials disponibles i els límits de processament biològic que compartim amb altres membres del nostre grup zoològic.
• Causes properes o ontogenètiques: Fan referència al cicle vital de l'individu particular des de la fecundació fins a la mort. Resulten de la interacció constant entre la càrrega genètica individual i l'ambient ecològic i sociocultural, plasmant-se en patrons únics d'organització neural gràcies a la plasticitat.

4. Estratègies d'investigació en psicobiologia

La psicobiologia aplica el mètode científic hipotètic-deductiu mitjançant la formulació d'hipòtesis que han de sotmetre's a contrastació empírica. Per esbrinar la relació entre les variables biològiques (somàtiques) i les conductuals s'utilitzen tres estratègies metodològiques principals:

Dins de l'aproximació correlacional i observacional destaca el mètode anatomotopogràfic, que examina pacients que han patit lesions cerebrals per identificar quines alteracions conductuals o cognitives apareixen de forma espontània, així com les tècniques de contrastació per neuroimatge estructural o funcional.

5. Especialització funcional de l'escorça prefrontal i correlats lesionals

L'aplicació d'estudis lesionals (mètode anatomotopogràfic) i de ressonància magnètica funcional ha permès identificar una clara divisió de funcions a l'escorça prefrontal humana, de gran rellevància clínica i metodològica:

El sistema nerviós és una xarxa altament especialitzada de processament de la informació formada per dos grans tipus cel·lulars: les neurones i les cèl·lules de la glia (per a l'estudi de la glia i la classificació neuronal, vegeu «Organització cel·lular del sistema nerviós — Tipus de neurones, teixit nerviós i neuroglia»). La neurona constitueix la unitat anatòmica, genètica, tròfica i funcional bàsica del teixit nerviós, dissenyada per rebre, integrar i transmetre senyals mitjançant canvis bioelèctrics i missatgers químics.

1. Morfologia funcional de la neurona: soma i arbre dendrític

La cèl·lula neuronal presenta una polarització morfològica i funcional extrema dividida en quatre dominis essencials: el cos cel·lular o soma, les dendrites, l'axó i els botons terminals presinàptics.

El soma (o pericàrion) actua com el centre metabòlic i biosintètic de la cèl·lula. Conté el nucli cel·lular —amb cromatina laxa i un nuclèol prominent que reflecteix una intensa activitat de transcripció gènica— envoltat pel citoplasma. Dins del citoplasma somàtic destaquen concentracions massives de reticle endoplasmàtic rugós (RER) i ribosomes lliures coneguts clàssicament com a substància de Nissl o corpuscles de Nissl, essencials per a la producció contínua de proteïnes estructurals, canals i enzims. A continuació del RER, l'aparell de Golgi empaqueta i selecciona les macromolècules en vesícules secretores, mentre que un gran contingent de mitocondris subministra l'energia necessària (ATP) per sostenir els elevats requeriments bioenergètics d'aquest metabolisme.

De la superfície del soma neixen les dendrites, ramificacions primàries que es divideixen successivament per conformar l'arbre dendrític. Aquest domini representa la principal zona receptora d'aferències procedents d'altres neurones, multiplicant la superfície de contacte membranós. Al llarg de la membrana dendrítica sobresurten milers de petites protuberàncies anomenades espines dendrítiques, les quals actuen com a microcompartiments bioquímics i elèctrics independents especialitzats a rebre la majoria de sinapsis químiques excitatòries. La densitat i la forma d'aquestes espines (des de filaments fins a estructures amb forma de bolet madur) són extremadament dinàmiques i constitueixen la base estructural dels processos d'aprenentatge, memòria i plasticitat sinàptica.

2. El con axònic i l'axó

L'axó és una prolongació citoplasmàtica única, cilíndrica i habitualment molt més llarga i prima que les dendrites, especialitzada en la transmissió de la informació en forma d'impulsos nerviosos cap a cèl·lules diana situades sovint a distàncies macroscòpiques. El punt d'origen de l'axó a partir del cos cel·lular rep el nom de con axònic (axon hillock).

El con axònic i el segment inicial de l'axó constitueixen la zona d'iniciació de l'impuls. A diferència del soma i les dendrites, aquesta àrea es caracteritza per una densitat extraordinàriament alta de canals de sodi dependents de voltatge, la qual cosa li confereix el llindar d'excitabilitat més baix de tota la neurona. És aquí on convergeixen i s'integren algebraicament els petits canvis elèctrics locals generats a les dendrites i el soma; si la despolarització resultant assoleix el llindar crític, es desencadena un potencial d'acció (vegeu «Fisiologia de la membrana neuronal — Potencial d'acció i propagació del senyal»).

Al llarg del seu trajecte, l'axó pot estar recobert per beines discontínues de mielina que optimitzen la velocitat de propagació de l'impuls mitjançant conducció saltatòria. A la seva porció terminal, l'axó es ramifica en telodendrons que culminen en els botons terminals (o terminals axònics), els quals contenen vesícules sinàptiques carregades de neurotransmissor i abundants mitocondris per fer possible la transmissió del senyal a l'espai sinàptic (vegeu «Transmissió sinàptica i senyalització — Fisiologia de la sinapsi i integració neural»).

3. El citoesquelet neuronal

A causa de la seva morfologia asimètrica i ramificada, la neurona depèn d'un citoesquelet altament organitzat format per tres components proteics polimèrics interconnectats:

Els microtúbuls requereixen proteïnes associades a microtúbuls (MAP) per estabilitzar-se; una d'aquestes proteïnes, la proteïna tau, s'encarrega d'unir i ordenar els microtúbuls a l'interior de l'axó, i la seva hiperfosforilació anòmala n'altera l'arquitectura provocant malalties neurodegeneratives greus.

4. Mecanismes moleculars del transport axoplàsmic

Atesa l'absència virtual de maquinària biosintètica completa (ribosomes i RER) a l'axó i als botons terminals, les proteïnes, lípids i orgànuls necessaris han de ser generats al soma i transportats activament a través del citoplasma axonal (axoplasma). Aquest tràfec bidireccional es denomina transport axoplàsmic o transport axonal i utilitza els microtúbuls com a carrils i motors moleculars dependents d'hidròlisi d'ATP.

Es distingeixen dues modalitats fonamentals segons la direcció del desplaçament:

• Transport anterògrad: Desplaçament des del soma cap a la terminació sinàptica (extrem positiu dels microtúbuls). És impulsat pel motor molecular cinesina. Aquest sistema transporta orgànuls membranosos complets com ara mitocondris, enzims biosintètics i vesícules secretores carregades de neurotransmissors. Existeix un transport anterògrad ràpid (entre 200 i 400 mm/dia) per a orgànuls i vesícules, i un transport lent (entre 0,2 i 8 mm/dia) encarregat de subministrar elements del citoesquelet i proteïnes solubles.
• Transport retrògrad: Desplaçament des del botó terminal de retorn cap al soma neuronal (extrem negatiu dels microtúbuls). Està mediat pel motor molecular dineïna. Aquest transport té una velocitat de 100 a 200 mm/dia i té com a funció reciclar components membranosos i vesícules velles que seran degradades pels lisosomes somàtics, així com vehicular senyals químiques i factors de creixement nerviós (neurotrofines) captats a la perifèria per regular la supervivència gènica al nucli.

El funcionament integrat d'aquests motors permet una circulació vesicular contínua pas a pas al llarg de tota la llargària cel·lular:

1. Síntesi i empaquetament al soma: Les proteïnes i pèptids sintetitzats al reticle endoplasmàtic rugós es processen i s'introdueixen en vesícules a l'aparell de Golgi.
2. Unió al motor molecular de sortida: La cinesina acobla la vesícula a la seva cua i s'ancora amb els seus dominis globulars als microtúbuls axònics.
3. Trànsit anterògrad per l'axó: Consumint una molècula d'ATP a cada pas, la cinesina «camina» cap a l'extrem distal transportant el carregament fins al botó sinàptic.
4. Exocitosi o ús metabòlic: Les vesícules s'alliberen a la sinapsi o els mitocondris aporten energia a la transmissió nerviosa.
5. Endocitosi i reciclatge: El material exhaurit o les molècules senyalitzadores de l'entorn són internalitzades en cossos multivesiculars.
6. Retorn retrògrad per dineïna: La dineïna reconeix aquests cossos i els transporta en direcció contrària cap al soma per a la seva degradació lisosòmica o integració genòmica.

La transmissió de senyals en el sistema nerviós depèn de la capacitat que tenen les neurones per alterar les propietats elèctriques de la seva membrana cel·lular. Abans de generar qualsevol descàrrega elèctrica o comunicar-se mitjançant contactes sinàptics, la cèl·lula manté una diferència de potencial constant respecte al medi extern.

La naturalesa elèctrica de la membrana i el potencial de repòs

La membrana neuronal està formada per una doble capa lipídica hidròfoba que actua com a barrera aïllant entre el líquid intracel·lular i el medi extracel·lular. A banda i banda d'aquesta estructura es distribueixen ions amb càrregues elèctriques netes. En condicions d'inactivitat, s'estableix el potencial de membrana en repòs, que consisteix en una diferència de voltatge elèctric entre l'interior i l'exterior de la neurona.

Si es pren l'espai extracel·lular com a referència arbitrària de 0 mV, l'interior de la neurona presenta una acumulació de càrregues negatives. Aquest estat manté un voltatge estable que oscil·la habitualment entre els -70 mV i -75 mV. Com que hi ha aquesta separació de polaritats elèctriques, es diu que la membrana cel·lular està polaritzada.

Forces físico-químiques: gradient electroquímic

El desplaçament passiu dels ions a través de la membrana depèn de la interacció de dues forces fonamentals que configuren el gradient electroquímic:

• Difusió química (gradient de concentració): tendència física espontània de les partícules a desplaçar-se des de les zones de major concentració cap a les regions menys concentrades, afavorint una distribució espacial homogènia.
• Pressió electrostàtica (gradient elèctric): força exercida pel camp elèctric transmembrana, segons la qual les partícules amb càrregues del mateix signe es repel·leixen mútuament i les de signe oposat s'atreuen. L'interior negatiu ($-70\text{ mV}$) atrau cations i repel·leix anions.

Permeabilitat selectiva i transport de membrana

La bicapa lipídica és impermeable a les partícules carregades. El trànsit iònic requereix proteïnes integrals especialitzades que formen porus transmembrana. En estat de repòs, la membrana presenta una permeabilitat selectiva desigual: és altament permeable al $\text{K}^+$ mitjançant canals de fuita permanentment oberts, moderadament permeable al $\text{Cl}^-$ i pràcticament impermeable al $\text{Na}^+$. Les proteïnes amb càrrega negativa ($\text{A}^-$) són massa voluminoses i queden atrapades al citoplasma, conferint la negativitat basal interna.

Atesa l'alta permeabilitat per al potassi, aquest ió flueix cap a l'exterior seguint el seu gradient de concentració. Aquesta fuita de càrregues positives incrementa la negativitat interna fins que la força d'atracció elèctrica iguala la tendència química de sortida.

Manteniment del desequilibri: la bomba de sodi-potassi

Malgrat que la membrana és poc permeable al sodi, una petita quantitat aconsegueix entrar lentament a favor del seu fort gradient electroquímic. Si aquest flux passiu no es contrarestés, els gradients de concentració es dissiparien progressivament i la neurona perdria la seva excitabilitat funcional.

Per sostenir aquests gradients, la cèl·lula compta amb la bomba de sodi-potassi ($\text{Na}^+/\text{K}^+\text{-ATPasa}$). Es tracta d'un mecanisme de transport actiu primari que hidrolitza molècules d'ATP per mobilitzar ions contra el seu gradient de concentració.