Mecanismos fundamentales que perfilan la dinámica del cerebro

La neuroenginyeria de precisión permite reproducir in vitro funciones cerebrales complejas

 

Investigadores de la UB y de la Universidad de Tohoku (Japón) diseñan circuitos neuronales que reproducen los comportamientos de reconfiguración dinámica del cerebro.

 

UB / Una de las características más importantes y sorprendentes del cerebro es su habilidad para reconfigurar dinámicamente conexiones para procesar estímulos y responder correctamente. Investigadores de la Universidad de Tohoku (Sendai, Japón) y de la Universitat de Barcelona han diseñado, mediante herramientas de neuroingeniería, circuitos neuronales in vitro que reproducen la capacidad de segregación y de integración de los circuitos cerebrales y que permiten entender las claves de la reconfiguración dinámica del cerebro. El estudio se ha publicado en Science Advances.

Por reconfiguración dinámica se entiende el reforzamiento o debilitamiento de enlaces mediante un aumento o una disminución de la actividad neuronal

Por reconfiguración dinámica se entiende el reforzamiento o debilitamiento de enlaces mediante un aumento o una disminución de la actividad neuronal. Cuando la reconfiguración conduce a una mayor cohesión entre diferentes circuitos neuronales del cerebro, se dice que este se integra, y cuando disminuye la cohesión se dice que se segrega.

«Este estudio demuestra la importancia de la organización modular para maximizar la flexibilidad de un circuito neuronal. También ilustra el potencial de las herramientas in vitro y de los modelos biofísicos para avanzar en la comprensión de fenómenos colectivos en un sistema complejo tan fascinante y rico como el cerebro», explica Jordi Soriano, investigador del Instituto de Sistemas Complejos de la UB (UBICUOS) y coautor del trabajo.

La integración está asociada al intercambio rápido de información entre circuitos muy lejanos y diferentes, mientras que la segregación está asociada al procesamiento de información en circuitos localizados. Lo que hace único al cerebro es que continuamente pasa de un estado segregado a uno integrado según la naturaleza y la fuerza de los estímulos.

Lo que hace único al cerebro es que continuamente pasa de un estado segregado a uno integrado según la naturaleza y la fuerza de los estímulos

La reconfiguración dinámica evita crear y destruir conexiones físicas continuamente, una estrategia tan poco efectiva como energéticamente costosa. Así, por ejemplo, los estímulos que nos llegan mediante la vista, el oído y el olfato se procesan de manera segregada en la corteza cerebral para después integrarse parcialmente o totalmente según las necesidades. Mientras miramos una película integramos imágenes y sonidos, ignorando los olores y otros estímulos. Pero cuando sentimos olor a quemado, se alerta el cerebro porque integra y analiza toda la información posible para tomar decisiones urgentes.

A pesar de la importancia de la integración y la segregación, los mecanismos biofísicos ligados a la reconfiguración dinámica todavía no eran muy conocidos. Además, tampoco se entendía cómo de sensible es la capacidad de integración-segregación al número de conexiones físicas existentes entre regiones cerebrales.

El modelo de cerebro in vitro que han desarrollado los investigadores consiste en cuatro módulos interconectados, donde cada módulo representa un circuito neuronal especializado (por ejemplo, vista u oído). Los cuatro módulos están recubiertos de proteínas adhesivas y nutrientes donde se desarrollan neuronas, las cuales se conectan entre sí dentro de un módulo y con otras neuronas en módulos lejanos. La neuroingeniería de precisión permite controlar cuántas conexiones pasan de un módulo a otro y, por lo tanto, permite ajustar el grado de acoplamiento físico entre módulos. En este modelo los estímulos corresponden a activaciones espontáneas de neuronas.

Usando microscopia de fluorescencia de calcio para detectar las activaciones neuronales, los investigadores han estudiado la capacidad del circuito para integrarse o segregarse espontáneamente según el grado de conectividad entre los módulos y otros factores.

Los investigadores han estudiado la capacidad del circuito para integrarse o segregarse espontáneamente según el grado de conectividad entre los módulos y otros factores

«Lo que hemos observado es que el circuito está permanentemente integrado o segregado cuando el número de conexiones entre módulos es demasiado grande o demasiado pequeño. El circuito óptimo es aquel en que los cuatro módulos tienen una conectividad justo por debajo de la mínima para integrarse, de forma que los pulsos de actividad neuronal son suficientes para reforzar puntualmente las conexiones y completar la integración. En la práctica, este circuito óptimo activado espontáneamente trabaja en un régimen en que coexisten integración y segregación», apunta Hideaki Yamamoto, investigador de la Universidad de Tohoku. El experto puntualiza que «la dinámica observada todavía está muy lejos de la complejidad del cerebro real, pero se han podido conseguir detalles sobre los mecanismos fundamentales que perfilan la dinámica del cerebro.

Referencia bibliográfica: 
Yamamoto, S. Moriya, K. Ide, T. Hayakawa, H. Akima, S. Sato, S. Kubota, T. Tanii, M. Niwano, S. Teller, J. Soriano, A. Hirano-Iwata. «Impact of modular organization on dynamical richness in cortical networks». Science Advances, 14 de novembre de 2018. DOI: 10.1126/sciadv.aau4914

Dejar comentario

Deja tu comentario
Pon tu nombre aquí