domingo, 4 de septiembre de 2016

La formación de un conjunto de neuronas. Tras la hipótesis de Hebb.


Por: Ana Toral

Las neuronas que se activan juntas, realmente se conectan entre sí, según un nuevo estudio publicado en la revista Science, lo que sugiere que el ordenador de kilo y medio dentro de nuestro cráneo podría ser más maleable de lo que pensamos.

Neurocientíficos de la Universidad de Columbia han demostrado que un conjunto de neuronas entrenadas para activarse al unísono, podrían reactivarse incluso un día más tarde, únicamente activando una neurona del conjunto. Aunque se necesita más investigación, sus resultados sugieren que estas agrupaciones de neuronas activadas pueden formar los bloques de construcción básicos del aprendizaje y la memoria, como se había planteado en la hipótesis del psicólogo Donald Hebb en la década de 1940.


La construcción de nuevas redes neuronales en el cerebro


La hipótesis de Donald Hebb de que la coactivación de las neuronas conduce a la formación de conjuntos de neuronas, ha inspirado a los neurocientíficos durante décadas. La creación experimental de tales conjuntos ha sido un desafío técnico. Utilizando la estimulación optogenética de dos fotones con resolución de células individuales, el investigador Carrillo-Reid y sus colaboradores descubrieron que la activación recurrente de un grupo de neuronas crea un conjunto neuronal que se imprime en los circuitos cerebrales. La activación de una sola neurona puede llevar a la activación de todo el conjunto neuronal en un fenómeno llamado “establecimiento de patrón”. El conjunto neuronal artificial persiste durante días y puede ser reactivado en plazos de  tiempo posteriores, sin interferir con el circuito endógeno.

Los conjuntos neuronales son grupos coactivos de neuronas que pueden representar unidades básicas de los circuitos corticales. Estos conjuntos se podrían formar según la plasticidad de Hebb, por la que se refuerzan las sinapsis entre las neuronas coactivas. Un estudio del Laboratorio del Dr. Yuste muestra que la activación repetida, mediante la optogenética de dos fotones, de poblaciones neuronales pertenecientes a conjuntos neuronales, en la corteza visual de ratones despiertos, construye conjuntos neuronales que se reeditan de forma espontánea después de haber sido impresos y no perturban  a los preexistentes. Además, los conjuntos neuronales impresos se pueden recuperar mediante la estimulación de una única neurona y permanecen coactivos en los siguientes días. Sus resultados demuestran que la reconfiguración persistente de los circuitos corticales por la optogenética de dos fotones en conjuntos neuronales puede provocar  un “establecimiento de patrón”.


 Los investigadores “reprograman” un conjunto de neuronas con un fino haz de luz.





En esta foto de neuronas de ratón en vivo, se utilizaron técnicas de imagen de calcio para registrar la activación de neuronas individuales y sus pulsos de electricidad. (Laboratorio de Yuste / Universidad de Columbia)


"Siempre pensé que el cableado del cerebro era básicamente inalterable", comentó el autor principal del estudio, el Dr. Rafael Yuste, profesor de neurociencia en la Universidad de Columbia. "Pero entonces vi los resultados y dije '¡No puede ser, todo esto es maleable!". Estamos hablando de un ordenador plástico que está en constante aprendizaje y cambio. "

En una investigación realizada en Columbia, los investigadores fueron capaces de controlar y observar el cerebro de un ratón vivo usando las herramientas optogenéticas que han revolucionado la neurociencia en la última década. Un virus modificado por ingeniería genética, que contiene ADN para producir proteínas sensibles a la luz, se inyectó a un ratón de forma que llegara a las células específicas de su cerebro. Una vez dentro de una neurona, las proteínas generadas sensibles a la luz permitieron a los investigadores activar remotamente a  las neuronas que producían esta proteína mediante haces de luz, como si utilizaran un mando a distancia.

Al ratón se le dejó correr libremente en una cinta mientras que su cabeza se mantenía bajo un microscopio. Con un láser, los investigadores irradiaban luz a través de su cráneo para estimular un pequeño grupo de células en la corteza visual. Con un segundo láser, grabaron el  aumento de los niveles de calcio en cada neurona conforme se iba activando, recogiendo de este modo imágenes de la actividad de las células individuales.





En el vídeo de arriba, las neuronas que eran estimuladas repetidamente con el haz de luz formaban un conjunto neuronal que trabajaba conjuntamente. Podían  ser reactivadas como grupo, estimulando una única neurona del grupo, incluso hasta  un día más tarde. Los experimentos se detallan en un nuevo estudio publicado en la revista Science. (Yuste Lab / Universidad de Columbia)



Antes de la optogenética, los científicos tenían que abrir el cráneo e implantar electrodos en el tejido vivo para estimular las neuronas con electricidad y medir su respuesta. Incluso un cerebro de ratón de 100 millones de neuronas, casi una milésima del tamaño de la nuestra, era demasiado denso para obtener imágenes de calidad de los  grupos de neuronas.

 Rafael Yuste y sus colegas en la Universidad de Columbia consiguieron excitar  conjuntos de neuronas individuales, seleccionadas al azar en la corteza visual de ratones vivos, mediante la estimulación de dos fotones, mientras los animales corrían en una cinta rodante. Los investigadores pudieron distinguir entre las neuronas que se estimularon directamente por la luz y el grupo de neuronas que se activaban  indirectamente. Tras la estimulación repetida mediante haces de luz, los investigadores observaron que el mismo grupo de neuronas se activaba tras la emisión del haz de luz. Esta agrupación de neuronas inducida artificialmente era diferente de otros conjuntos de células que se activaban como resultado de un estímulo visual no provocado optogenéticamente utilizado de control.

La Optogenética ha permitido a los investigadores entrar en el interior del cerebro de forma no invasiva y controlar su actividad de forma mucho más precisa. En la última década, los investigadores han restaurado la vista y la audición a ratones ciegos o sordos, y han transformado en normales a ratones agresivos, mediante la manipulación de regiones específicas del cerebro.

El avance que permitió a los investigadores reprogramar un grupo de células en el cerebro es la culminación de más de una década de trabajo. Con muestras de tejido de la corteza visual del ratón, Yuste y sus colegas demostraron en un estudio realizado en 2003 publicado en la revista Nature que las neuronas coordinan su activación en pequeñas redes llamados conjuntos neuronales. Un año más tarde, demostraron que los conjuntos se activaban en patrones secuenciales en el tiempo.

A medida que mejoraban las técnicas para el control y la observación de las neuronas en los animales vivos, descubrieron que estos conjuntos neuronales están activos incluso sin estimulación. Utilizaron esta información para desarrollar algoritmos matemáticos para encontrar conjuntos neuronales en la corteza visual. Fueron capaces de mostrar, como lo habían hecho en las anteriores muestras de tejido, que los conjuntos neuronales en animales vivos también se activan uno tras otro en patrones secuenciales.


Estimulando los Circuitos Neuronales en el cerebro de ratón.


Con haces de  luz, los investigadores pueden convencer a un grupo de neuronas en la corteza visual de ratones vivos de que se activen conjuntamente.



Un grupo de neuronas estimuladas en los ratones despiertos con un estímulo visual (izquierda) comparado con el grupo de neuronas estimuladas a través de la optogenética (derecha)















Según el co-autor del estudio, Luis Carrillo-Reid, estudiante postdoctoral en el laboratorio del Dr. Yuste, la idea para este estudio nació de un experimento de control para asegurarse de que la técnica que utilizaban de estimulación de dos fotones podría estimular de forma fiable las mismas pocas neuronas. "Consistentemente vimos que cuando estimulábamos la misma área de la corteza cerebral varias veces, el mismo grupo de neuronas se activaba de forma simultánea. Esto nos llevó a preguntarnos si estábamos creando un nuevo circuito en el cerebro"

Después de que el equipo estimulara repetidamente  agrupaciones de neuronas asociadas con el conjunto neuronal de nueva creación que se activaba conjuntamente, la estimulación adicional de células individuales dio como resultado la activación de ese mismo conjunto en el  64,5 % del tiempo a lo largo de dos días consecutivos.

Comparando los grupos de neuronas estimuladas por la luz con neuronas activadas de forma natural dentro de la corteza visual, el equipo encontró que ambos contenían cantidades similares (entre 10 y 20 neuronas) y mostraron distribuciones similares en todo el cerebro. Pero la distancia media entre las neuronas dentro del conjunto estimulado artificialmente era más corta.

La estimulación lumínica de sólo el 8 por ciento de las neuronas dentro de un conjunto inició la activación de todo el grupo de células, lo que abre la cuestión de que es lo que hace que estas células sean únicas. ¿Estas células muestran una conectividad mas robusta, y son "más fuerte, digamos, cuando se trata de recordar?"

Otra pregunta abierta es si la activación neuronal concertada observada significa que las sinapsis se han formado de novo o que las sinapsis existentes se han fortalecido como resultado de la fotoestimulación.

El Dr. Daniel Javitt, profesor de psiquiatría en la Universidad de Columbia Medical Center, que no participó en el estudio, dice que el trabajo podría ser utilizado para restaurar los patrones normales de conexión en el cerebro de las personas con epilepsia y otros trastornos cerebrales. Sin embargo, hay grandes obstáculos técnicos que  tendrían que ser superados antes de que  las técnicas de optogenética se puedan  aplicar a los seres humanos.

Emparejando la tecnología de estimulación de dos fotones con la tecnología de obtención de imágenes de calcio de dos fotones, los investigadores pudieron documentar cómo las células individuales respondían a la estimulación mediante un haz de luz. Aunque en estudios previos se han activado y registrado células individuales, ninguno ha demostrado que un conjunto de neuronas pudiera ser activado conjuntamente para imprimir lo que llaman un "microcircuito neuronal" en el cerebro de un animal vivo.

"Si usted me hubiera dicho hace un año que podría estimular  20 neuronas en un cerebro de ratón de 100 millones de neuronas y alterar su comportamiento, yo le hubiera dicho que de ninguna manera”, explicó Yuste. "Es como la reconfiguración de tres granos de arena en la inmensidad de una playa."

Los investigadores creen que la red de neuronas activadas que han creado artificialmente puede haber implantado una imagen completamente desconocida para el ratón. Ahora están desarrollando un estudio de comportamiento para tratar de demostrarlo. A  Carrillo-Reid, Yuste, y sus colegas les gustaría probar si estos conjuntos de neuronas estimulados artificialmente pueden alterar el comportamiento animal. "El hecho de que podamos escribir una nueva actividad en el cerebro no quiere decir que estemos escribiendo una nueva memoria"

Esta investigación es parte de un proyecto norteamericano denominado Iniciativa BRAIN que surgió de una propuesta anterior de Yuste y sus colegas para desarrollar herramientas para el mapeo de la actividad cerebral de las moscas de la fruta a los mamíferos más complejos, incluidos los humanos.


Otros autores del estudio son Weijan Yang, Yuki Bando y Darcy Peterka, todos investigadores del Laboratorio de Yuste en Columbia. Los investigadores recibieron el apoyo del National Eye Institute, del National Institute of Mental Health, de la Defense Advanced Research Projects Agency y del U.S. Army Research office and laboratory.


Publicación Original en Science: L. Carrillo-Reid et al., “Imprinting and recalling cortical ensembles,” Science,doi:10.1126/science.aaf7560, 2016.