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.
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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.
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| 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.
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