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Los sistemas receptores 14: Sistema sensorial del olfato

Continuamos con nuestra serie “Los sistemas receptoresde la que sería muy conveniente, si aún no lo has hecho, que leyeras las tres primeras entradas que explican alguno de los conceptos que vas a ver en ésta. Nos toca analizar un par de sentidos que responden a determinadas excitaciones inducidas en nuestro cuerpo por compuestos químicos que vienen del exterior. Hablábamos ya de un aspecto de ello cuando estudiamos el sentido de la nocicepción y termocepción en la entrada sobre el dolor y la temperatura, en donde vimos cómo determinadas moléculas agredían nuestra dermis provocando dolor, o bien cómo la capsaicina o el mentol llegaban a estimular los sensores de la temperatura induciéndonos unas sensaciones de calor o frío. Pero no es de eso de lo que vamos a hablar ahora, ya que me estoy refiriendo básicamente a los sentidos del olfato y el gusto.

En particular, esta entrada la dedicaremos a ver qué procesos fisiológicos y neuronales se desencadenan cuando llega un estimulante químico exterior a nuestra pituitaria, la membrana mucosa que recubre el interior de ambas fosas nasales que, al final, nos va a producir esta sensación tan potente como es la paleta de olores del mundo que nos rodea. La evolución ha matizado las sensaciones olorosas que percibimos, de forma que normalmente lo que huele bien no es nocivo para nuestro organismo -incluso puede ser beneficioso- y lo que huele mal nos avisa de que, cuanto menos, hay que alejarse de ello como medida preventiva. Incluso la evolución nos ha regalado unas sutilezas casi “hedónicas”, al haber montado la posibilidad de integrar varias de las experiencias sensoriales: qué sería de los momentos en que nos proponemos deleitarnos con la comida sin la combinación de buen olor, buen sabor y agradable vista que nos genera el placer del gusto. ¿Qué éxito comercial tendría un perfume fragantemente oloroso y a la vez de un sospechoso color marrón “no digo qué”? ¿Qué éxito reproductor tendría una posible pareja exponente máximo de la perfección corporal, pero que huela a Sus estrofa doméstica ? Evidentemente, en esto último dejo aparte a los cerdos y cerdas.

Como ya se comentó en la entrada anterior, el sentido del olfato es evolutivamente uno de los más antiguos, y prueba de ello es la simplicidad del camino que conecta al elemento químico externo con el cerebro: el área olfativa es el único lugar donde el sistema nervioso central está en directo contacto con el medio ambiente, al ser colindantes los sensores externos y las estructuras corticales olfatorias. Nos da una clara pista de esta antigüedad el hecho de que en el desarrollo embrionario las estructuras cerebrales olfativas se inician y maduran antes que los núcleos talámicos. No nos ha de extrañar, por tanto, que a la corteza olfativa se la conozca como paleocorteza -del griego παλαιός, palaiós, “antiguo“- siendo sólo superada en antigüedad evolutiva por la corteza del cerebro emocional. Un reflejo de esta antigüedad lo tenemos en el cerebro de los vertebrados inferiores, en los que la corteza olfatoria es muy representativa tanto física como funcionalmente, ya que con ella gestionan sus trascendentales respuestas, que debemos imaginar como reflejos inconscientes, frente a los retos de la supervivencia.

Prolongaciones nerviosas que desde las fosas nasales forman en conjunto, al atravesar el hueso etmoides, el nervio olfatorio. Este último finaliza en el bulbo olfatorio, que en los vertebrados ya es parte del prosencéfalo (Anatomy of the Human Body, Henry Gray, wikimedia, dominio público)

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Biografía del Universo 16: La sinfonía del Universo II

a lo largo de los primeros 380.000 años

En la entrada anterior de esta serie descubrimos cómo el Universo, a lo largo de sus primeros 380.000 años, estaba compuesto por un plasma que perdía progresivamente su densidad por causa de la continua expansión que experimentaba el tejido espacio-temporal de base. Decíamos también que este plasma estaba rielado por una serie de ondas sonoras, consecuencia de las ondas de presión que generaban los movimientos de la materia. Una sinfonía cósmica. Repito la imagen que ya se propuso en la entrada anterior y que nos daba una buena idea de cómo las ondas particulares -imagen de la izquierda-, generadas gracias a la acción-reacción de la gravedad-radiación en una fluctuación cuántica primigenia local, se superponen -imagen de la derecha- para crear esta particular sinfonía global.[1]

Doy por hecho que habéis leído la entrada anterior para que podáis conectar sin problemas con esta entrada de hoy, que acabará por desvelar sus secretos.

     

Vayamos a por harina e intentemos entender su armonía. Porque si conseguimos distinguir en los acordes de esta melodía los violines de los oboes, los distintos instrumentos de su plantilla, quizás comprendamos mejor su ser. Para ello necesitamos introducir ciertos conceptos elementales de la física de los sonidos y de las matemáticas que la soportan. Que no cunda el pánico: seré muy suave. Sigue leyendo ›

  1. El pico central corresponde inicialmente a toda la materia, bariónica y oscura, más la radiación. Con el tiempo va quedando en el centro un pico de materia oscura con una excursión de la bariónica y la radiación hacia el límite de la onda, cuyo radio crecía al ritmo de la expansión del Universo. []

Los sistemas receptores 13: La audición II. Procesos superiores.

En la entrada anterior de esta serie sobre “Los sistemas receptores habíamos dejado a los potenciales de acción circulando por los axones del nervio auditivo, cada uno con su etiqueta específica que dice “por aquí llevo la información de una frecuencia sonora determinada, pero no sé ni cómo ni cuál es“. Este nervio, que conjuntamente con el vestibular que vimos en otra entrada se le conoce como nervio craneal número VIII, tiene un corto recorrido ya que sale de la cóclea y termina en el tronco encefálico, a la altura de la unión entre el bulbo raquídeo y el cerebelo, más o menos junto a la misma cóclea.

Allí, en el tronco, les esperan la segunda línea de neuronas [n2] situadas en un núcleo llamado coclear de las que podríamos esperar, a la vista de lo que ya sabemos que sucede en otros sentidos, que enviaran sus axones directamente hasta el tálamo en donde se situaría una nueva posta de la ruta auditiva. Sin embargo, aún siendo así en parte, en este caso es un poco más complejo. Las segundas neuronas formarán una serie de subnervios que ascienden por el tronco encefálico -unos mantendrán su lado y otros se cruzaran al contrario- que darán no sólo servicio al tálamo, sino también a pares -izquierdo y derecho- de núcleos neuronales situados en el propio tronco encefálico, por debajo del tálamo.

Esquema de las vías neuronales auditivas. Los puntos de colores corresponden a las neuronas que intervienen. Podemos observar cómo entre los núcleos cocleares y las olivas hay una comunicación directa y otra cruzada contralateral que permitirá la audiocalización. Lo mismo sucede en los colículos e incluso entre los tálamos (Imagen modificada de la red, ©Sinauer Associates. Inc, fair use)

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[De Thomson a Bohr, historia de un átomo] 0-Conceptos previos 7: Energía potencial

Seguimos con la serie de modelos atómicos. En el anterior artículo terminamos con el modelo de Thomson, un par de artículos algo complicados, es verdad, pero tengo la esperanza de que el lector haya aprendido algo sobre dicho modelo. Los siguientes artículos volverán a ser conceptos previos de física general (es decir, sin enfocarlos a la física atómica) para aprender algunos conceptos necesarios al presentar el modelo atómico de Rutherford. El primero, es decir, éste, es en realidad una ampliación del artículo donde hablamos sobre la energía potencial. Y en él vamos a centrarnos en la energía potencial electrostática.

Recordemos una definición que di en su momento sobre la energía potencial:

Primero definí lo que es una fuerza conservativa. Recordemos; una fuerza es conservativa si podemos llevar un objeto desde un punto A a un punto B realizando el mismo trabajo lo llevemos por donde lo llevemos. Teníamos esta imagen:

Es decir, el trabajo realizado por una fuerza conservativa para llevar un objeto desde el punto 1 al punto 2 es el mismo tanto por el camino S1 como por el camino S2. Bien, una vez identificamos que una fuerza es conservativa podemos definir una energía potencial “asociada” a esa fuerza; de hecho no podemos definir la energía potencial como tal, sino su variación. La energía potencial es la energía que tiene un cuerpo por el simple hecho de estar sometido a una fuerza conservativa. Como en general las fuerzas suelen afectar a los objetos en cualquier punto del espacio, podemos decir por lo tanto que un objeto, solamente por estar en un punto del espacio tiene una energía potencial.

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Biografía del Universo 15: La sinfonía del Universo I

a lo largo de los primeros 380.000 años

A estas alturas de nuestra serie, y ya lo veníamos advirtiendo en anteriores entradas, sabemos que el Universo había emprendido un largo camino de monotonía que iba a durar casi cuatrocientos mil años. La radiación seguía dominando su dinámica, haciendo que continuara expandiéndose a un ritmo proporcional a la raíz cuadrada del tiempo, por lo que progresivamente disminuía la densidad del plasma que rellenaba el Universo. Pasó por un momento en que tuvo la del agua, luego atravesó el nivel de la del aire y no paró, pues se encaminaba hacia un estado en el que cada centímetro cúbico iba a tener tan sólo unos 103 átomos.[1]

En estas condiciones, el plasma de núcleos ligeros, electrones, fotones, neutrinos y algunas partículas de otros sabores que formaba la esencia del Universo, era como un gas. Podemos imaginar a la materia de ese gas como un mar profundo que se movía meciéndose convulsivamente dibujando un patrón de ondas causadas por la gran alteración inflacionaria primigenia. Y al igual que el sonido es un vaivén en las moléculas del gas de la atmósfera, el plasma del Universo estaba también repleto de resonancias sonoras.

En un primer plano la representación artística de como debía moverse el plasma inicial del Universo impulsando unas ondas sonoras. En el horizonte lejano se proyecta nuestra época, en donde algunas galaxias lucen como congeladas luminarias de este sonido cósmico. A lo largo de estas entradas iremos explicando su trasfondo. (Imagen: Wayne Hu, Universidad de Chicago, fair use)

Podemos compararlo a una sala de conciertos, quizás escuchando la Octava Sinfonía de Beethoven, la Pequeña Sinfonía, con un ambiente que está repleto de sones, muchos de ellos ondas en el rango de frecuencias audibles para el hombre. Unas provendrán de los violines o las trompetas, y serán más agudas, mientras que otras las habrán emitido los contrabajos o los trombones y serán más graves. Montadas en las ondas fundamentales de cada instrumento se encuentran además cientos de armónicos, que dan colorido y cuerpo a la música de la sinfonía. Curiosamente, de la misma manera a como los armónicos de las ondas de presión en el plasma del Universo apuntalaban el futuro dibujo de la materia. Sigue leyendo ›

  1. Eso sería al final de esos 380.000 años. Añado aquí un sencillo cálculo para que nos hagamos idea: Sabemos que la composición de átomos en aquel momento era básicamente de 75% de hidrógeno y 25% de helio 4, por lo que un átomo medio pesaría [0,75 x 1 + 0,25 x 4]= 1,75 unidades de masa atómica (uma). Cada uma equivale a 1,7 x 10-27 kilogramos, luego la densidad sería 1,75 uma/cm3 x 1,7 x 10-27 kg/uma x 103 gr/kg x 103 átomos ≈ 3 x 10-21 gramos/ cm3. Por comparar: en condiciones normales la densidad del agua es de 1 gramo/ cm3 y la del aire, 1,4 x 10-3 gramos/ cm3 . []

Los sistemas receptores 12: La audición I. Detección.

En esta nueva entrada de la serie “Los sistemas receptores“, una vez acabado en la anterior el recorrido por el sentido de la visión, vamos a iniciar nuestro paseo por las rutas neuronales relacionadas con el sentido del oído. Una vez más, antes de empezar, la pregunta que me surge es: ¿qué hay ahí afuera, cuáles son las causas que me generan la experiencia subjetiva del sonido? Es una antigua pregunta que excitaba la imaginación lógica de los filósofos, que en el siglo XVIII discutían cosas tan abstractas como que si cuando caía un árbol en el bosque, y no había nadie para escucharlo, haría algún ruido o no. “Sólo conocemos lo que percibimos” decía el irlandés George Berkeley. Lo que un siglo antes ya era la opinión de filósofo francés René Descartes cuando en su libro “Principios de filosofía“, generalizando, opinaba que las cualidades secundarias de las cosas -colores, sonidos, gustos, olores y sensaciones táctiles- no existían fuera de nosotros sino en nosotros como sujetos “sintientes”. Nosotros nos vamos a hacer las mismas preguntas para al final descubrir, ahora para otra experiencia sensorial, que el ruido no existe: sólo existen ondas de presión que se transmiten por la materia.

Cualquier alteración de este tipo en el medio que nos rodea, ya sea éste el aire al andar, el agua al nadar, la pared al pegar la oreja… tiene en él un reflejo semejante a cuando lanzamos una piedra a la superficie de un líquido: se altera formando ondas, que no son más que la expresión material de las variaciones de presión que experimentan sus moléculas. La piedra iniciadora de la excitación, al entrar en el agua ejerce una fuerza -un empujón electromagnético entre los electrones de moléculas contiguas- sobre la primera capa del líquido, que se deforma disipando esta fuerza y que a su vez la transmite a la siguiente capa, que a su vez la transmite a la siguiente…. generando una cadena de ondas de presión. En el aire también se pueden generar estas ondas a partir de cualquier excitación iniciadora: un movimiento rápido de un cuerpo o un chorro de aire que penetre en el medio.

Simulación 2D de una onda de compresión iniciada en el punto central de la red y con una atenuación en el tiempo (Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

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Historia de un ignorante, ma non troppo… Prism Rhapsody, de Keiko Abe

Tras unos pocos años de incontinencia musical, los que dura esta ignorante serie, aparece por primera vez por aquí la obra de un compositor japonés. O, mejor dicho, de una compositora japonesa, dado que Keiko Abe es, obviamente, mujer, y también es la primera vez que aparece aquí una obra compuesta por una mujer. No es porque yo sea machista ni nada de eso, que no lo soy: es que desgraciadamente ha habido muy pocas compositoras a lo largo de la historia… compositoras de música “clásica”, se entiende, que es del tipo de música del que trata esta serie.

Y además, por si no fueran pocas las primicias dentro de la serie (primera compositora, primer japonés), esta composición, Prism Rhapsody, es una obra para dos marimbas solistas y orquesta, por lo que es también la primera vez que aparece por aquí una obra para un instrumento solista de percusión, cosa que, por otra parte, es también algo bastante extraño. Es usual que las obras para instrumento solista y orquesta sean para uno de cuerda (violines, cellos, etc), para uno de viento (flauta, clarinete, trompeta, etc), o para el rey de los instrumentos solistas, el piano, que no sé muy bien si catalogarlo como instrumento de cuerda o de percusión…

En fin, muchas novedades juntas en este artículo, que va a ser, estoy seguro, una sorpresa para los fieles seguidores de la serie.

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Biografía del Universo 14: La nucleosíntesis II

desde 1 segundo a 380.000 años desde el inicio

En el transcurrir de esta serie sobre la historia de nuestro Universo habíamos llegado en la entrada anterior a abrir la ventana por donde se entreveían los núcleos de unos futuros actores imprescindibles en la representación, como son los elementos químicos. Para enlazar con lo que allí dijimos, transcribo uno de sus últimos párrafos:

El núcleo más simple ya lo teníamos allá por el segundo t=10-6, desde que aparecieron los hadrones a partir de los quarks: el del hidrógeno, un solitario protón. Pero para salvar a los neutrones nos interesa por tanto algo más sofisticado como núcleo, el del deuterio: un protón y un neutrón unidos en todo su esplendor mediante la intermediación de los piones.”

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Todo pasó en un pequeño momento dentro de una larga era: desde el segundo 30 al segundo 240, dentro de lo que se nos imagina un inmerso periodo que decidimos acotar entre un segundo y 380.000 años desde el inicio del big bang. Después de los 240 segundos parece que el Universo, acabado de tomar el postre de la nucleosíntesis, se sentó a digerir todo lo que le había pasado mientras seguía expandiendo su dilatado estómago.

Pero sigamos la historia. Si analizamos la energía de enlace de los primeros elementos de la tabla periódica de Mendeléyev o sus isótopos, teóricamente podríamos esperar que cada uno de ellos aparecería, o se haría definitivamente estable, cuando el nivel energético promedio del Universo cayera por debajo de la energía con que se enlazan sus nucleones. Así que, para poder seguir las posibilidades de creación de los siguientes núcleos tras el del hidrógeno, vamos a ver qué características tiene el posible “material” implicado, recordando que en el tiempo un segundo después del big bang la energía promedia era de 1 MeV y a los 200 segundos, de 100 KeV. A continuación listo las energías de enlace por nucleón en los primeros elementos más ligeros:[1] Sigue leyendo ›

  1. En este enlace tenéis los datos de todos los elementos e isótopos, con los que podéis jugar viendo como varían sus características al movernos en vertical -mismo número de meutrones- u horizontal -mismo número de protones-. []

Biografía del Universo 13: La nucleosíntesis I

desde 1 segundo a 380.000 años desde el inicio

Pero… ¿cómo es esto? Desde 1 segundo a 380.000 años… ¡PERO ESTO ES UNA BARBARIDAD! Hasta ahora hablábamos de fracciones temporales casi infinitesimales. ¿Qué pasó para alargar tanto el calendario?

Pues pasó que el mundo cambió entre los 30 y los 240 segundos. Un auténtico “hat trick” de la magia física que más tarde desvelaremos. Antes de los cien segundos lo que sucedió fue continuación de lo mismo que había estado pasando al final del capítulo anterior, consecuencia de la aparición de los protones y neutrones libres. Después de los 240 segundos de vida, lo único digno de mención es que el Universo siguió expandiéndose y enfriándose. Y así hasta que 380.000 años más tarde alcanzó una temperatura de unos 3.000K, semejante a la que hay en la superficie del Sol. En unos escasos 200 segundos el Universo inventó la novedad del núcleo atómico.

Pero vayamos por pasos. No he introducido aún esta entrada de la serie sobre la Biografía del Universo. Recordemos cómo en la entrada anterior nuestro plasma estaba formado básicamente por radiación de fotones y neutrinos, electrones y positrones peleando y aniquilándose entre ellos, unos protones no demasiado abundantes y unos neutrones cada vez menos numerosos. Y entre ellos, comandando sus vidas, las cuatro fuerzas fundamentales generando sus particulares bosones intermediadores.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Hasta el segundo 14 siguió la batalla perdida del neutrón por sobrevivir. Más o menos en este tiempo la energía media del universo bajó hasta un nivel de 0,5 MeV, con la que los electrones no podían ya transformar protones en neutrones en interacciones β,[1] mientras que su inestabilidad natural, la del neutrón, hubiera hecho que se redujera su población universal a la mitad cada 15 minutos.[2] Por el contrario, los protones conseguían mantener su población e incluso incrementarla gracias al decaimiento de los neutrones. De forma que en este momento en particular la menguante relación protón/neutrón ya era de 5/1. Protones y neutrones que se trataban casi de tú a tú, molestos solamente por la acción de los fotones que continuamente chocaban con ellos, desviando su trayectoria y dificultando cualquier tipo de nuevas relaciones entre ellos. Mientras, los electrones seguían apurando los últimos coletazos en sus relaciones de equilibrio térmico con los positrones y con la radiación. Sigue leyendo ›

  1. Era una de las fuentes más importantes para la repoblación de neutrones. Recuerdo la ecuación que gobernaba esta transacción, que ya fue comentada en la entrada dedicada a los hadrones: neutrinoe + neutrón ↔ protón+ + electrón- []
  2. Mientras el neutrón no está confinado en un núcleo atómico ligado a los protones por la fuerza nuclear fuerte interpuesta por su bosón (pión), está sometido a un proceso natural de desintegración β- según esta reacción [neutrón → protón+ + W-  → protón+ + (electrón- + antineutrinoe)],  que le condena a un tiempo medio de vida de 885,7 ± 0,8 s. []

Los sistemas receptores 11: La visión III. Procesos superiores.

Nos habíamos quedado en la entrada anterior de esta serie en el momento en que la señal visual, que se había iniciado en una célula fotorreceptora de la retina, había conseguido llegar en forma de potencial de acción, a través de una cadena formada por dos neuronas consecutivas, una [n1] en la misma retina y la segunda [n2] en el tálamo, hasta la corteza visual primaria V1, situada en la parte trasera del lóbulo occipital del neocórtex.

Es curioso el constatar que las proyecciones de estos axones que salen del tálamo y llegan a la corteza visual V1 lo hacen físicamente de tal forma que dibujan sobre esta corteza un mapa invertido –arriba/abajo, derecha/izquierda- de la realidad exterior que impresionó la retina. No en vano el ojo, y lo que hay inmediatamente detrás, trabaja como una “cámara fotográfica”. El resultado es algo similar al homúnculo representado sobre la corteza somatosensorial -del que ya hablamos en otra entrada- o sobre la corteza motora, aunque en este caso no es espacialmente figurativo, sino de asignación espacial de propiedades de la señal. Pero sigamos adelante.

Habíamos determinado que llegaba una información muy definida de acuerdo a determinadas etiquetas: lado del escenario visto, ojo de procedencia, color e intensidad luminosa, detalle de la vía Parvo frente a generalidad de la vía Magno y todo ello de acuerdo a un mapa retiniano de puntos o pequeños círculos, que llamamos campos receptivos, manifiestamente sensibles a los contrastes luminosos más que a la intensidad puntual en sí.

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