NIMH » Investigadores descubren orden en el lenguaje del cerebro
5 de junio de 2023• Aspectos destacados de investigación
Las células nerviosas (llamadas neuronas) en el cerebro comparten información entre sí. Esto es especialmente cierto para las neuronas en la materia gris de la corteza, la parte más grande del cerebro, donde cada neurona se conecta con miles de otras neuronas para apoyar funciones cerebrales complejas. La actividad neuronal eléctrica se propaga rápida y ampliamente a lo largo de esta vasta red, creando patrones de actividad muy diversos que pueden persistir durante largos períodos de tiempo e involucrar a millones de neuronas.
Esta actividad neuronal fluctuante está en el corazón del procesamiento de información en el cerebro. Sin embargo, identificar secuencias significativas en medio de fluctuaciones constantes en la actividad ha sido un desafío, un requisito fundamental para comprender cómo funciona el cerebro en condiciones normales.
Primeros descubrimientos para comprender la avalancha neuronal
Un hito importante en este trabajo fue un descubrimiento realizado hace dos décadas por investigadores del Programa de Investigación Intramural (IRP) del Instituto Nacional de Salud Mental (NIMH). Una investigación pionera dirigida por el Dr. Dietmar Plenz, jefe de la Unidad de Dinámica Cerebral Crítica del IRP, ha demostrado que el cerebro genera patrones de actividad de diferentes tamaños de una manera muy organizada, siguiendo una fórmula matemática conocida como ley de potencia. Esto significa que el cerebro produce patrones de actividad de diferentes tamaños a un ritmo constante.
Este descubrimiento condujo a la idea de una «avalancha de neuronas», en la que grupos de neuronas se disparan juntas, desencadenando una reacción en cadena que hace que otros grupos de neuronas se disparen en cascada. El nuevo hallazgo también conecta la investigación del cerebro con el campo de la criticidad autoorganizada, una teoría unificadora que busca explicar cómo los sistemas complejos optimizan el procesamiento de la información para un rendimiento óptimo.
El estudio actual examina las propiedades de las avalanchas neuronales
En un nuevo estudio respaldado por NIMH y Brain Research a través del Programa Advancing Innovative Neurotechnology®, o Brain Initiative®, el Dr. Plenz y sus colegas revelan cómo ocurren las avalanchas neuronales con el tiempo. Al mostrar que la actividad sincronizada de una avalancha de neuronas sigue un orden preciso, los investigadores esencialmente descubrieron el orden en el lenguaje del cerebro, un orden que había sido predicho teóricamente pero que hasta ahora nadie había demostrado experimentalmente en la resolución celular.
Utilizando la última tecnología láser y métodos de procesamiento de imágenes, el equipo de investigación estudió el vínculo entre la activación de neuronas individuales en una avalancha y la activación de otras neuronas en la misma avalancha. Primero, insertaron un prisma en el cerebro del ratón para proporcionar una vista de las neuronas en el otro hemisferio (o lado) del cerebro. Luego hicieron que los ratones corrieran en una rueda durante varios días y observaron la actividad neuronal en dos regiones del cerebro: la corteza visual primaria y la corteza prefrontal.
Los investigadores midieron el disparo neuronal utilizando imágenes de dos fotones, una poderosa técnica que puede registrar de cientos a miles de neuronas en pequeñas áreas del cerebro a nivel de una sola célula. Sin embargo, necesitaban mejorar la calidad de las imágenes para realizar un seguimiento fiable de la propagación de la actividad neuronal. Hicieron esto utilizando un programa de aprendizaje automático llamado interpolación de profundidad, que reduce el ruido en las imágenes para aumentar su resolución, y Biowulf, la plataforma informática de alto rendimiento de los NIH. Con esta combinación de herramientas avanzadas, los investigadores reconstruyeron con éxito la activación de muchas neuronas para comprender cómo se activan juntas durante una avalancha neuronal.
La investigación actual avanza en la comprensión de las avalanchas neuronales
Los investigadores confirmaron a nivel celular que se produce una avalancha de neuronas en la corteza visual. También revelaron por primera vez que se producen avalanchas en la corteza prefrontal, que regula los pensamientos, las acciones y las emociones a través de amplias conexiones con otras regiones del cerebro.
Resulta que, en condiciones normales, la actividad cerebral fluctúa de una manera extremadamente organizada que se puede describir con números precisos. Cuando grupos de neuronas en la materia gris cortical se activan juntas, forman cascadas de actividad sincronizada. Estas cascadas se desarrollan en un patrón específico, en forma de una parábola invertida simétrica (una «U» invertida): la actividad aumenta, luego se estabiliza y luego vuelve a caer, lo que se conoce como «avalancha parabólica».
Los investigadores demostraron además que las avalanchas parabólicas crecen rápidamente a tasas cuadráticas crecientes. Esta característica permite el máximo almacenamiento de información.
Estos resultados se mantienen para varias condiciones experimentales y cascadas de diferentes duraciones. Los investigadores describen esta organización consistente como escala invariable: no importa en qué escala estudies el sistema, las avalanchas neuronales muestran el mismo curso de tiempo general en diferentes regiones del cerebro.
Próximos pasos para los investigadores que estudian las avalanchas neuronales
La investigación es un poderoso ejemplo de cómo los métodos matemáticos pueden mejorar la comprensión de cómo funciona el cerebro. Los hallazgos establecen una parábola invertida de escala invariable como una nueva forma de sincronización neuronal que define la organización de la actividad cerebral en la corteza.
El descubrimiento de los investigadores solo fue posible gracias a los enormes avances tecnológicos que les permitieron rastrear el disparo de neuronas individuales dentro de la cascada. Los futuros investigadores ahora tienen las herramientas para visualizar efectivamente las avalanchas neuronales.
La investigación también avanza en los esfuerzos para determinar el estado óptimo del cerebro. Establece experimental y matemáticamente las escalas que definen la sincronización de las descargas neuronales en el cerebro y las condiciones en las que la técnica es más eficaz en el seguimiento de la actividad neuronal. Estos hallazgos podrían permitir identificar cambios específicos en la actividad cerebral que indiquen una función cerebral alterada, lo que a su vez podría abrir la puerta a muchas aplicaciones potenciales, como la identificación temprana de trastornos mentales.
Referirse a
Capek, E., Ribeiro, TL, Kells, P., Srinivasan, K., Miller, SR, Geist, E., Victor, M., Vakili, A., Pajevic, S., Chialvo, DR y Plenz, D (2023). Escalamiento de avalancha parabólica en sincronización de conjunto de células corticales. Comunicaciones de la naturaleza, 14, 2555. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37976-x
Financiamiento en el campus
ZIAMH002797, ZIAMH002971
galardonado
NS107464-01
