El cerebro humano y su "ciclo de lavado" nocturno.

Tener un sueño profundo y reparador es esencial para nuestra salud física y mental. Ahora además se ha descubierto una nueva bondad del sueño: desencadena ondas rítmicas de sangre y líquido cefalorraquídeo (LCR) que parecen funcionar de manera muy similar al ciclo de enjuague de una lavadora, lo que puede ayudar a limpiar el cerebro de los desechos tóxicos de forma habitual.

El vídeo usa imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) que nos introduce dentro del cerebro de una persona para ver este ciclo de enjuague recién descubierto en acción. Primero, se ve una ola de flujo sanguíneo (rojo, amarillo) que está estrechamente relacionada con una onda lenta subyacente de actividad eléctrica (no visible). A medida que la sangre disminuye, el Líquido Cefalorraquídeo (azul) aumenta y luego vuelve a caer. Luego, el ciclo, que dura unos 20 segundos, comienza de nuevo.

Los hallazgos, publicados en la revista científica Science, son los primeros en sugerir que el conocido reflujo y flujo de sangre y actividad eléctrica del cerebro durante el sueño también pueden desencadenar ondas de limpieza de sangre y Líquido Cefalorraquídeo. Si bien los experimentos se realizaron en adultos sanos, el estudio adicional de este fenómeno puede ayudar a explicar por qué el dormir mal o la pérdida de sueño se han asociado previamente con el aumento de proteínas tóxicas y el empeoramiento de la pérdida de memoria en personas con enfermedad de Alzheimer.

En el nuevo estudio, Laura Lewis, de la Universidad de Boston, y sus colegas, registraron la actividad eléctrica y tomaron imágenes de resonancia magnética fMRI de los cerebros de 13 adultos jóvenes y sanos mientras dormían. El equipo también construyó un modelo informático para descubrir más sobre la dinámica de fluidos de lo que sucede en el cerebro durante el sueño. Y, como resultado, su modelo sofisticado predijo exactamente lo que observaron en los cerebros de los seres humanos vivos: ondas lentas de actividad eléctrica seguidas de ondas alternadas de sangre y Líquido Cefalorraquídeo.

Lewis dice que su equipo ahora está trabajando para encontrar formas aún mejores de capturar el flujo del Líquido Cefalorraquídeo en el cerebro durante el sueño. Por el momento, las personas que se ofrecen como voluntarios para tales experimentos tienen que poder conciliar el sueño mientras usan un casco de electroencefalograma (EEG) dentro de una ruidosa máquina de resonancia magnética, lo cual no es tarea fácil. Los investigadores también están reclutando adultos mayores para comenzar a explorar cómo los cambios relacionados con la edad en la actividad cerebral durante el sueño pueden afectar la dinámica de fluidos asociada.

Basado en:  Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep. Fultz NE, Bonmassar G, Setsompop K, Stickgold RA, Rosen BR, Polimeni JR, Lewis LD. Science. 2019 Nov 1;366(6465):628-631.

Las neuronas que responden a la novedad

 Cuando los ratones ven imágenes desconocidas, ciertas neuronas en la parte visual de sus cerebros se aceleran. Los científicos piensan que estas neuronas podrían estar involucradas en el aprendizaje.

Los ratones que forman parte del Observatorio para el Cerebro Allen tienen una tarea difícil. Una serie de imágenes parpadea frente a sus ojos, y los animales deben señalar cuando esa imagen cambia de identidad lamiendo una pequeña tromba que cuelga frente a ellos.

“El ratón está jugando efectivamente un videojuego. Está viendo imágenes en una pantalla y tomando decisiones, pero en lugar de hacer clic en un controlador de videojuego, lame una pipeta", según Marina Garrett, investigadora. “Las imágenes se repiten en una secuencia que irá algo así como flor, flor, flor, oso. Eso es lo que tienen que detectar, el cambio de flor a oso, y tienen que responder muy rápidamente".

Una colección de imágenes de escenas naturales del Instituto Allen.

Antes de poner a prueba a los ratones, el equipo de investigación los capacita en la tarea. Y antes de ese entrenamiento, los animales fueron modificados genéticamente para que ciertas neuronas brillaran bajo un microscopio fluorescente cuando esas células entran en acción.

Garrett y sus colegas quieren entender qué neuronas están activas y cuándo están activas, a medida que los animales aprenden a percibir el mundo que les rodea. Recientemente, descubrieron que una clase de neuronas, conocidas como interneuronas VIP, se activan cuando los animales ven imágenes desconocidas. El estudio está publicado en la revista científica eLife.

Los ratones se entrenan en una serie de imágenes (por ejemplo, la secuencia de flores y osos) y luego se prueban con esas imágenes familiares y con un segundo conjunto de fotos nuevas. Tienen que lamer la pipeta justo después de que cambie la imagen, ya sea una serie familiar o nueva, o no reciben la recompensa (un trago de agua). Es una configuración artificial: los ratones no evolucionaron para reconocer fotos en un contexto de videojuegos, por supuesto, pero los investigadores están tratando de comprender los principios básicos de cómo el cerebro percibe nuestro entorno y cómo la actividad de las neuronas cambia durante el comportamiento y el aprendizaje.

"La detección de la novedad es crítica para la supervivencia de un animal", según Shawn Olsen, Investigador, quien dirigió el estudio junto con Garrett. "Lo más importante a tener en cuenta en su entorno es cuando algo es inesperado".

De la novedad al aprendizaje.

Las interneuronas VIP son un tipo de neurona inhibidora, la clase general de neuronas cuyo trabajo es suprimir la actividad de otras neuronas. Se encuentran en la capa más externa del cerebro conocida como la corteza. Pero las interneuronas VIP silencian a otras neuronas inhibidoras, por lo que el resultado acumulativo es más actividad cerebral, no menos, el equivalente neuronal de un doble negativo.

No está completamente claro cuál es el resultado final de toda esta actividad en el cerebro, pero los investigadores plantean la hipótesis de que las interneuronas VIP pueden ser detectores de la novedad o importancia general, señalando a otras neuronas qué es  lo más importante hacia lo que deben enfocarse.

 

Neuronas VIP iluminadas.
Imagen: Instituto Allen para la neurociencia

Piensa en la diferencia de esfuerzo mental requerido entre una tarea que se hace todos los días, por ejemplo, cepillarse los dientes, y algo que se intenta por primera vez, como un nuevo pasatiempo. El cerebro no ignora completamente la tarea habitual, pero no requiere tanto esfuerzo mental como algo completamente nuevo.

"Creemos que esta diferencia tiene que ver con el aprendizaje", según Garrett. "Cuando algo te resulta familiar, sabes qué esperar. Puede confiar en sus predicciones internas y conocimientos pasados. Cuando algo es nuevo, debe prestarse más atención para obtener más información".

Para probar esa hipótesis, los investigadores ahora estudian cómo cambia la actividad de las interneuronas VIP con el tiempo. Con la exposición repetida, en algún momento las nuevas imágenes se familiarizarán. ¿Qué sucede en el cerebro en ese punto de inflexión? ¿Y, juegan las interneuronas VIP un papel similar en otras partes del cerebro?

El estudio actual es la primera etapa en un proyecto mucho más grande del Instituto Allen para estudiar cómo reaccionan los diferentes tipos de neuronas visuales en diferentes secciones del cerebro cuando los ratones realizan esta tarea. El proyecto en su totalidad debería generar suficientes datos para permitir a los investigadores abordar estas preguntas de manera más integral y comprender cómo funcionan las neuronas VIP junto con otros tipos de células.

En cuanto a si las interneuronas VIP humanas también reconocen la novedad, eso es imposible de probar de la misma manera: los investigadores obviamente no pueden manipular genéticamente a un humano para estudiar sus neuronas bajo un microscopio. Pero hay razones para pensar que el concepto general podría aplicarse a algo más que a los ratones que ven fotos, según Olsen.

"No me sorprendería si encontráramos un fenómeno similar en el sistema auditivo del ratón o en la parte del cerebro que detecta el tacto". "Este resultado tiene menos que ver con la visión del ratón que con los circuitos centrales de la corteza, que sabemos que se conserva entre los ratones y los humanos".

Basado en: https://elifesciences.org/articles/50340