El Cervell Humà: Estructura, Funció, Genètica i Patologies

Breu història del cervell

El cervell fa possible tot allò que podem fer, pensar o experimentar. És un òrgan molt complex i difícil d’estudiar. Els humans saben des de fa poc que el cervell controla la conducta (per exemple, la momificació de Tutankamon). Abans es pensava que el centre de les emocions estava en el cor, i alguns grecs opinaven que algunes capacitats mentals estaven en el cor.

El metge F. Gall (s. XIX, alemany) va inventar la frenologia: la forma del crani pot revelar les nostres qualitats mentals i la personalitat. Va ser ell qui va dir que diferents regions del cervell tenen funcions específiques. En el s. XX, Ramón y Cajal ja va demostrar un gran interès pel cervell, i va dir que calia fer gimnàstica mental per mantenir el cervell en bon estat i tenir idees.

El cervell és el mecanisme coordinador del sistema nerviós (explicar la diferència entre cervell i sistema nerviós), controla el món que ens envolta, els nostres moviments, recorda, aprèn i controla el nostre comportament. Funciona en harmonia amb el sistema endocrí, les glàndules que regulen el nostre comportament per mitjà de les hormones.

Genètica i conducta: naturalesa de la genètica

Aquí respondrem a per què hi ha diferències entre els individus de la mateixa espècie i quin paper tenen els gens en la conducta. En realitat, la nostra conducta és el resultat de tot allò genètic que tenim posat en un medi ambient que ho va modelant. Som producte dels gens i de l’aprenentatge.

La genètica és la branca de la Biologia que estudia com es transmeten i s’hereten els trets de pares a fills. Totes les nostres cèl·lules tenen gens, que és el codi d’instruccions de com estem fets, i determinen totes les nostres característiques físiques i mentals. Un dels grans avenços va ser el descobriment de la seqüència de l’ADN per Watson i Crick. L'ADN forma els gens i aquests estan dins dels cromosomes, i aquests dins del nucli de la cèl·lula (explicar de forma senzilla el concepte de nucli cel·lular, cromosoma i gen).

Cada cèl·lula conté entre 20.000 i 50.000 gens organitzats en grups de 1.000, formant cadenes que després formen els cromosomes. Cada cèl·lula conté 23 parells de cromosomes (46 cromosomes en total). Els gens es transmeten de generació en generació a través de les cèl·lules sexuals (gàmetes): l’òvul i l’espermatozoide. L’òvul i l’espermatozoide combinen els seus cromosomes i, per tant, els seus gens en la formació del zigot. Els zigots contenen el nostre genotip (tota la nostra càrrega genètica o herència vital). En canvi, el fenotip són totes aquelles característiques que es manifesten o apareixen (per exemple, el color d'ulls).

Avui dia s’està estudiant el genoma humà o mapa genètic, és a dir, els gens de cada parell de cromosomes que determinen a nivell d’herència. Això pot servir per veure les bases genètiques de les malalties, entre moltes altres coses.

Alteracions hereditàries

A vegades es produeixen errors en la divisió cel·lular i en la transmissió dels gens i, com a resultat, els nens neixen amb cromosomes alterats.

Alteracions cromosòmiques

• Anomalia en el nombre de cromosomes:
• Síndrome de Klinefelter (XXY): alteració cromosòmica en el parell 23. Sovint tenen característiques dels dos sexes: pits i testicles petits.
• Persones amb un cromosoma menys al parell 23: Síndrome de Turner. Dones que tenen característiques sexuals infantils, ovaris no desenvolupats i alteracions de la mandíbula.
• Trisomia 21 o Síndrome de Down: tres cromosomes al parell 21.

Herència lligada al sexe

Algunes malalties estan situades al cromosoma X del parell 23, i tan sols es transmeten si el que neix és nen o nena. Per exemple:

• Hemofília: la pateixen els nens i les nenes en són portadores.
• Daltonisme: dificultat per distingir entre el color verd i el vermell.

Estructura i funció del sistema nerviós

El cervell és el centre de control que regula totes les activitats de l’organisme. Tots els organismes rebem del nostre entorn la informació necessària que entra a través de receptors sensorials i és transformada en l’encèfal en percepcions o ordres per al moviment. La manera de transmetre l’impuls nerviós a través de les neurones és electroquímic. És a dir: es transmet elèctricament a través del cable de la neurona i es transmet químicament entre neurones. Les cèl·lules que formen el sistema nerviós són de dos tipus: les neurones i les glies.

Les neurones i els seus missatges

La neurona és la cèl·lula fonamental del cervell. La seva funció és enviar missatges o impulsos nerviosos. Hi ha 100.000 milions de neurones que intercanvien informació a través de connexions entre elles.

La neurona està formada per un cos cel·lular i unes prolongacions anomenades dendrites. A més, compta amb una prolongació més llarga que és l’axó. El cos cel·lular conté un nucli (on es troba la informació genètica i els ribosomes que sintetitzen l'ARN i les proteïnes). Del cos cel·lular surten les dendrites i l’axó.

La connexió entre dues neurones es fa a través de la sinapsi. Les dendrites d’una neurona reben l'impuls nerviós de les d’altres cèl·lules i aquest impuls nerviós viatja a través de l'axó fins a les dendrites finals, on connecten amb les dendrites d’una altra neurona.

Classificació de les neurones

Hi ha diferents tipus de neurones segons la forma que tenen.

Segons les projeccions dendrítiques:

• Unipolars: Tenen només una prolongació dendrítica (típiques dels organismes invertebrats).
• Bipolars: Tenen dues prolongacions, i moltes són sensorials. Es dediquen a rebre impulsos.
• Multipolars: Tenen un axó i moltes dendrites (són les típiques del sistema nerviós dels mamífers).

Segons els tipus de connexions que estableixen:

• Sensorials: Són les que reben informació o capten estímuls (per exemple, són sensibles a la temperatura, tacte...). Envien informació des dels teixits i els òrgans sensorials del cos cap a la medul·la espinal i des d’aquí al cervell.
• Motores: Transmeten informació des del cervell i la medul·la fins als músculs i les glàndules.
• Interneurones: Connecten les neurones sensorials i les motores. És a dir, recullen els impulsos sensitius i els transmeten a les neurones motores per activar els músculs (per exemple, el dolor).

L’impuls nerviós

La neurona pot recollir estímuls del seu medi i comunicar-los a d’altres neurones perquè té les propietats d’excitabilitat i conductivitat. Els impulsos nerviosos són similars en les diferents àrees del sistema nerviós i són provocats per molts esdeveniments de l'exterior: llum, contacte tàctil, aromes...

L’impuls nerviós, també anomenat potencial d’acció, és una ona elèctrica que avança per la superfície de la membrana de l'axó i les dendrites de la neurona. En realitat, es tracta de corrent elèctric de baix voltatge. En realitat, a l'interior i exterior de la neurona hi ha un nombre diferent d'ions (que tenen càrrega elèctrica) que fan que hi hagi una càrrega elèctrica diferent a cada banda de la membrana.

Mentre la neurona està en repòs, els ions estan estables a cada banda (neurona polaritzada). Però, quan arriba un impuls nerviós, aquest equilibri d'ions s'altera a cada banda i es produeix un desequilibri (diferència de potencial o corrent elèctric). Per tant, la membrana té una càrrega elèctrica diferent a dins que a fora, i això provoca corrent elèctric. En aquest moment, es diu que la neurona està despolaritzada. Els ions de sodi de l'exterior penetren a l'interior, i els de potassi de l'interior surten a l'exterior, alterant-ho tot. El potencial d'acció o corrent es mou al llarg de l'axó i les dendrites, i un cop ha passat, la neurona torna a estar en repòs o polaritzada. Tots aquests impulsos elèctrics són interpretats pel cervell segons com viatgin a través de les neurones. El cervell interpreta o decodifica els senyals que li arriben i els transforma en sensacions.

La sinapsi neuronal

La sinapsi és el lloc de transmissió entre les dendrites de dues cèl·lules. Les parts de la sinapsi són:

• El terminal presinàptic.
• La fenedura sinàptica.
• La terminal postsinàptica.

Hi ha sinapsis elèctriques i sinapsis químiques. Explicarem només les químiques.

La sinapsi química és més lenta que l’elèctrica. La neurona presinàptica allibera un neurotransmissor i l'escampa en la fenedura sinàptica, unint-se així als receptors de la membrana de la neurona postsinàptica. A vegades aquesta substància neurotransmissora excita el receptor i a vegades no. La sinapsi química té l'avantatge que un potencial d'acció elèctric allibera una gran quantitat de molècules de neurotransmissor, la qual cosa permet que el senyal o impuls nerviós s'amplifiqui o disminueixi d'una neurona a l'altra. L'impuls nerviós elèctric no pot saltar d'una neurona a l'altra directament, sinó que els neurotransmissors són els que despolaritzen la membrana de la següent neurona, i un cop això passa, ja continua el corrent elèctric.

Neurotransmissors

Diferents tipus de neurones utilitzen diferents tipus de neurotransmissors, i cadascun d'aquests actua en llocs específics del cervell, encara que es trobin per tot arreu. Alguns dels neurotransmissors coneguts són:

• Dopamina: Regula l’activitat motora i moltes respostes en tot el cervell. Una manca o reducció de l’activitat de la dopamina produeix la malaltia de Parkinson. En canvi, nivells massa alts de dopamina en segons quines regions del cervell tenen a veure amb l'esquizofrènia (SCZ). Les drogues al·lucinògenes provoquen alteracions en l’activitat de la dopamina.
• Serotonina: Intervé en la regulació de l’estat d’ànim, en el control de la gana, en la son i en la regulació del dolor.
• Acetilcolina: Actua com a missatger químic entre les unions de les neurones motores (que fan moure el múscul) i els músculs. També intervé en la regulació d'àrees del cervell que actuen en la memòria, l’atenció i l’aprenentatge. El curare bloqueja els receptors d’acetilcolina i impedeix que arribi l’impuls nerviós al múscul, i la persona o animal es queden paralitzats.
• Noradrenalina: És un transmissor que intervé activant el sistema simpàtic de l’organisme i prepara el cos per donar respostes d’emergència: acceleració del cor, elevació de la tensió arterial (TA), augment de la freqüència respiratòria.
• Encefalines i Endorfines: Són opiacis endògens, és a dir, els segrega el nostre cos i fan una funció similar a la de l’opi perquè regulen el dolor i la tensió nerviosa i aporten la sensació de calma. En les persones que es droguen amb opiacis externs (per exemple, heroïna), el que passa és que el cos deixa de segregar els interns perquè l'heroïna fa aquesta funció de regular el dolor. Llavors, quan la persona deixa de prendre heroïna, no té opiacis interns que facin aquesta funció i sent el dolor multiplicat. Amb el tractament, la persona torna a fabricar endorfines.

Receptors

Ens referirem a receptors quan parlem dels òrgans dels sentits, ja que és a través d’aquests que captem els estímuls. D’altra banda, els efectors són els mecanismes de reacció als estímuls. Els receptors són cèl·lules nervioses especialitzades que permeten que l’ésser humà capti els estímuls de l’exterior, així com els de l’interior, és a dir, els canvis en el propi cos (el dolor).

Organització i estructura del sistema nerviós: característiques

• És el centre regulador de l’organisme. Selecciona la informació que rep i controla totes les nostres reaccions corporals.
• Està protegit dins d’una caixa òssia anomenada crani i flota en el líquid cefaloraquidi (LCR). Posseeix una gran massa de neurones i glies. Està molt irrigat i està protegit per la barrera hematoencefàlica (per exemple, la barrera placentària).
• Sembla que es va desenvolupar enormement quan vam passar a la postura bípeda en alliberar les mans. Es veu una gran zona del cervell que serveix per controlar les mans.
• Pesa al voltant d'1 kg i 200 gr. Té el seu pes màxim als 18 anys.
• Anomenem cervell a la part del sistema nerviós (SN) allotjada al crani.
• Es diu que el cervell és plàstic: especialment en els nens, ja que quan hi ha una lesió en una zona del cervell, una altra zona pot assumir les funcions de la danyada (per exemple, de dreta a esquerra).
• Processa en paral·lel: Cadascuna de les funcions principals (sensorials, motores i altres) fan servir més d'una via neural. Si es lesiona una part o una via, es pot suplir més o menys amb una altra zona.
• Regeneració neuronal: Se sap que el cervell adult pot regenerar certes neurones deteriorades o en poden néixer de noves.

Distingirem tres regions:

• Cervell posterior: Bulb, protuberància i cerebel.
• Cervell mitjà: Per sobre de la protuberància: mesencèfal.
• Cervell anterior: Hemisferis i diencèfal.

Cervell posterior

Tronc cerebral

Conté uns quants cossos cel·lulars i els nuclis dels nervis cranials. Posseeix tres parts:

• Bulb raquidi: Situat just per sobre de la medul·la espinal i controla conductes vitals de forma automàtica: respiració, batec del cor, digestió.
• Protuberància: Per sobre del bulb i s’encarrega d’enviar informació dels hemisferis cerebrals al cerebel.
• Cerebel: Està ple de plecs i circumvolucions. Coordina la força dels moviments i les habilitats motores.

Cervell mitjà

El mesencèfal és una estructura que està en el tronc cerebral per sobre de la protuberància. Controla els moviments dels ulls i coordina reflexos visuals i auditius.

Cervell anterior

Consta del diencèfal i els hemisferis cerebrals. És el més desenvolupat i més evolucionat.

Diencèfal

Conté dues estructures importants:

• Tàlem: Processa la informació visual i motora i l’envia al còrtex corresponent. Regula el nivell de consciència i les emocions.
• Hipotàlem: Controla el sistema nerviós autònom (SNA) i el sistema endocrí, organitzant les conductes necessàries per a la supervivència, lluita, alimentació, sexualitat...

Hemisferis cerebrals (Telencèfal)

És la regió més gran i consta de: còrtex, ganglis basals i sistema límbic. Els hemisferis són dos: esquerre (E) i dret (D) interconnectats pel cos callós. Cada hemisferi controla la part oposada del cos. Els dos hemisferis no són idèntics:

• Esquerre: Llenguatge, capacitat numèrica, analítica i científica.
• Dret: Habilitats espacials, artístiques i musicals.

Els hemisferis tenen 4 lòbuls: frontal, occipital, parietal i temporal. Els lòbuls són regions dividides per fissures o “esquerdes”:

• Fissura interhemisfèrica: Separa longitudinalment els dos hemisferis.
• Fissura de Roland: A nivell central.
• Fissura de Silvi: A nivell lateral.

Regions dels hemisferis

• Ganglis basals: Relacionat amb el control dels moviments automàtics. Un descens de dopamina (DA) aquí provoca Parkinson.
• Sistema Límbic: Està a l’interior del lòbul temporal i intervé en les emocions i en les motivacions i posseeix dues parts: Hipocamp (té molt a veure amb la memòria) i l'Amígdala (intervé en el control de l’agressivitat i les emocions i en les respostes d’ira o tranquil·litat).
• Còrtex: Capa externa que envolta els hemisferis. Representa el 80% del pes del sistema nerviós (SN). Posseeix unes regions específiques que desenvolupen unes funcions, i segons això el podem dividir en regions:
  • Còrtex motor: Està en el lòbul frontal: zona anterior de la fissura de Roland. S’encarrega d’iniciar el moviment voluntari. Si s’estimula, es mou una part concreta del cos.
  • Còrtex sensorial: Lòbul parietal: zona posterior de la fissura de Roland. Rep informació que ve dels sentits: dolor, pressió...
  • Còrtex auditiu: Està en el lòbul temporal: es processen les senyals des de les neurones de l’orella al cervell. Envien les senyals dels sons.
  • Còrtex occipital: En el lòbul occipital, arriben les sensacions o estímuls visuals provinents dels ulls.

Cervell dret i esquerre

Sperry va obtenir el Premi Nobel en investigar les diferències entre les dues escorces cerebrals. Va estudiar el cervell dividit de pacients epilèptics. Tot i que cada hemisferi coordina els moviments i sensacions de la banda oposada del cos, es comuniquen a través del cos callós i cada hemisferi sap el que fa l'altre. Si es talla el cos callós, el cervell està dividit. Per exemple, els pacients poden deixar un llibre amb la mà esquerra encara que estiguin llegint amb molt interès. Això és perquè l'hemisferi dret, que controla la mà esquerra, no pot llegir i troba la lectura avorrida. A vegades es troben fent gestos inadequats amb una mà sense tenir la intenció de fer-ho.

Cervell d'home i de dona

Els homes i les dones resolen de manera diferent problemes intel·lectuals. El seu cervell, en el moment en què el fetus està a la panxa, rep dosis d'hormones sexuals diferents si és nen o nena, i el cervell es configura de manera diferent. Després, durant la vida, les experiències de cadascú modelen el cervell, però cadascú ja era des de l'inici un cervell diferent.

La capacitat global o intel·ligència pot ser similar, però els homes resolen millor tasques espacials i de raonament matemàtic i les habilitats motores. Les dones els superen en habilitat perceptiva i una fluïdesa verbal més gran. També guanyen en càlcul aritmètic, en la capacitat per recordar detalls i són més ràpides en algunes tasques manuals. Una de les diferències més clares entre els homes i les dones fa referència a la parla i la funció motora que l'acompanya, ja que en les dones hi ha més facilitat per a la comunicació. Sembla ser que el cervell dels nens i nenes s'organitza de formes diferents en el desenvolupament durant la infància.

El sistema nerviós perifèric

Està format per grups neuronals (ganglis i nervis perifèrics) que es troben fora de l'encèfal i la medul·la espinal. Es divideix en dos components: sistema nerviós somàtic (SNS) i sistema nerviós autònom (SNA).

Sistema nerviós somàtic

Proporciona informació sensorial sobre l'estat muscular i l'ambient extern a l'organisme, i envia missatges del cervell als òrgans sensorials i els músculs esquelètics. Controla les activitats voluntàries (per exemple, els músculs esquelètics que es mouen conscientment).

Sistema nerviós autònom

Transporta la informació des del cap als òrgans interns i a les glàndules. Regula les activitats involuntàries: batec del cor, pressió arterial. El funcionament d’aquest sistema no és conscient, sinó que funciona automàticament, dirigint les neurones motores que mouen els músculs llisos de les vísceres i el múscul cardíac. Reacciona a les emocions (per exemple, ansietat: sequedat de boca, sudoració, respiració ràpida, pes a l'estómac...).

Està compost pel sistema nerviós simpàtic: activador de les funcions abans descrites per donar respostes d'activació al cos (lluita o fugida) quan hi ha quelcom que ens irrita o ens espanta. Ho fa alliberant adrenalina des de les glàndules suprarenals a la sang. El sistema nerviós parasimpàtic és el contrari: ralentitzador o tranquil·litzador de l'acció dels òrgans. És responsable del repòs i manteniment del cos. Fa més lents els batecs del cor, redueix la sudoració, és a dir, redueix l'activitat del simpàtic. En les situacions quotidianes, els dos sistemes actuen per mantenir el cos en un estat d’equilibri. Actuen enviant neurotransmissors a la sang i d'aquí als òrgans: adrenalina als òrgans del simpàtic i acetilcolina al parasimpàtic.

El sistema endocrí

Homeòstasi

L’homeòstasi és l’equilibri de les funcions de tot el cos. Per mantenir-la, es requereix l'actuació i regulació de moltes activitats fisiològiques. El responsable d'aquest manteniment és el SNA i el sistema endocrí.

Sistema endocrí

El sistema endocrí regula la química del cos. D'ell formen part les glàndules endocrines repartides per tot el cos. La funció de les glàndules és segregar hormones que van a la sang i d'aquí arriben als òrgans corresponents.

Hormones

La hipòfisi (dins del crani) és la glàndula directora del sistema endocrí. Produeix les següents hormones:

Hormones principals

• Tirotropina o hormona del creixement.
• Hormona luteïnitzant (LH): En femelles, fa madurar els òvuls; en mascles, provoca la secreció de testosterona.

Gònades

Testicles i ovaris produeixen les hormones sexuals:

• Ovaris: Estrògens i progesterona, que controlen l'ovulació, l'embaràs i el cicle menstrual.
• Testicles: Testosterona, que estimula la producció d'esperma.

Les gònades i les seves hormones són les responsables de les característiques sexuals secundàries: to de veu, pèl, pits...

La glàndula tiroides (al coll) produeix tiroxina, que s'encarrega del cicle metabòlic responsable de transformar l'aliment en energia; és a dir, determina si tens gana o set, el guany o la pèrdua de pes. Les glàndules suprarenals (als ronyons) produeixen adrenalina i noradrenalina (NA) que activen el cos davant del perill (estrès). El pàncrees (per sobre de l'estómac) segrega insulina que controla el nivell de sucre en sang.

Tècniques d'exploració cerebral

És possible estudiar l'estructura del cervell post-mortem, però no el seu funcionament. Les proves actuals permeten estudiar parcialment el cervell. Les tècniques fonamentals estan basades en la imatge. Les proves fonamentals són les següents:

Tomografia Axial Computada (TAC)

També se l'anomena escàner i produeix moltes imatges del cervell utilitzant raigs X. Analitzant moltes d'aquestes imatges, l'ordinador selecciona i ordena les més representatives. El que proporciona són radiografies molt precises de diferents seccions del cervell. Serveix per veure si les estructures cerebrals estan bé o si hi ha tumors o lesions per accident. També permet observar el flux sanguini, és a dir, si hi ha trencament d'algun vas amb pèrdua de sang. El problema és que la imatge que ofereix és estàtica i no permet veure el funcionament.

Electroencefalografia (EEG)

Permet captar el flux elèctric de les neurones. El que mesura és el camp elèctric a la superfície del crani. Es capten una sèrie d'ones en un temps determinat i es veu si corresponen a una activitat elèctrica normal.

Tomografia per Emissió de Positrons (TEP)

Detecta la glucosa lleugerament radioactiva a mesura que és consumida pel cervell. El que es capta és quines zones del cervell consumeixen més glucosa segons l'activitat que es realitza. Amb aquesta tècnica podem veure l'activitat del cervell en aquell moment. Això permet veure si les zones del cervell que han de treballar en una determinada tasca estan funcionant bé.

Ressonància Magnètica Nuclear (RMN)

Permet veure una imatge tridimensional del cervell o del cos. És possible obtenir-ne talls bidimensionals que ens puguin interessar. Això ens permet veure amb més detall l'anatomia i registra algunes dades bioquímiques dels òrgans i teixits. Permet veure el cervell com si fos transparent.

Malalties i patologies cerebrals

Quan hi ha una lesió del sistema nerviós, pot alterar-se greument la personalitat o la conducta. En algunes malalties mentals no s'ha trobat encara la base biològica que s'altera, però en el futur, quan perfeccionem les tècniques d'exploració del cervell, podrem trobar aquesta alteració que abans no podíem detectar.

Isquèmia cerebral

Reducció de la llum d'un vas amb l'estrenyiment del pas de la sang i posterior irrigació deficient d'una zona del cervell. Com està pitjor irrigat, li arriba menys oxigen i treballa pitjor. El resultat és un funcionament alterat de les parts del cos que estaven sent controlades per la zona isquèmica. Causa: taponament total o parcial d'un vas per un coàgul.

Vessament cerebral

Es produeix quan es trenca un vas i es produeix un hematoma que pressiona una zona del cervell i, per tant, funciona malament. Símptomes similars als de la isquèmia.

Autisme

Greu trastorn del desenvolupament que té com a origen un trastorn genètic que provoca un mal funcionament del cervell: poca capacitat de comunicació i de relació social, poc interès pel món que l'envolta i pautes de comportament repetitives.

Epilèpsia

Activitat elèctrica alterada de l'escorça cerebral que provoca uns atacs que poden ser generalitzats o parcials. Si la crisi és generalitzada, es produeix la pèrdua de consciència, caiguda a terra i convulsions amb parada respiratòria durant uns segons. En les crisis parcials, hi ha convulsions en una part del cos.