Cómo fluye la información a través del cerebro

Unas pequeñas sondas de alta tecnología revelan cómo fluye la información a través del cerebro.

En el estudio más grande de este tipo hasta la fecha, los científicos utilizan sondas de "neuropíxeles" para capturar detalles de cómo el cerebro del ratón ve el mundo.

Datos recuperados con Neuropixels
diminutas sondas de silicio capaces de
registrar la actividad eléctrica
de cientos de neuronas a la vez.

Un nuevo estudio de investigadores del Instituto Allen recopiló y analizó el conjunto de datos más grande de la actividad eléctrica de las neuronas para obtener los principios básicos de cómo una cobaya de laboratorio  percibe el mundo visual que nos rodea. El estudio, publicado en la revista científica Nature, captura los cientos de señales eléctricas que se disparan en una fracción de segundo cuando un animal está interpretando lo que ve en su entorno.

 

El cerebro procesa el mundo que lo rodea casi instantáneamente, pero hay numerosos pasos casi instantáneos entre la entrada del  rayo de luz que golpea la retina y el momento en el que se percibe lo que se está viendo. Los seres humanos tenemos tres docenas de áreas cerebrales diferentes responsables de la comprensión del mundo visual, y los científicos aún no conocen muchos de los detalles de cómo funciona ese proceso.

 

"En primer lugar, queremos entender por qué necesitamos tener múltiples áreas visuales en nuestro cerebro en primer lugar", según Josh Siegle investigador asistente en el programa MindScope del Instituto Allen. "¿Cómo se especializan cada una de estas áreas y luego cómo se comunican entre sí y sincronizan su actividad para guiar eficazmente sus interacciones con el mundo?"

 

El equipo de investigadores del Instituto Allen utilizó para su trabajo de investigación al ratón, cuyo cerebro del tamaño de un guisante sigue siendo increíblemente complicado. La visión del ratón no es la misma que la de los humanos (los ratones dependen más de otros sentidos que nosotros), pero los neurocientíficos creen que aún pueden aprender muchos principios generales sobre el procesamiento sensorial al estudiar estos animales.

 

Neuropixeles

Usando Neuropixels, sondas de silicio de alta resolución más delgadas que un cabello humano, que leen la actividad de cientos de neuronas a la vez, el equipo de investigadores construyó un conjunto de datos de impulsos eléctricos de aproximadamente 100,000 neuronas en el cerebro del ratón.

 

Este conjunto de datos es la colección más grande de actividad eléctrica de neuronas obtenidas hasta el momento, ya que cada experimento capturó información de cientos de células cerebrales de hasta ocho regiones visuales diferentes del cerebro a la vez. Leer la actividad eléctrica simultáneamente en diferentes áreas del cerebro permitió a los científicos rastrear señales visuales en tiempo real a medida que estas pasaban de los ojos del ratón a regiones superiores de su cerebro.

 

Los investigadores encontraron que la información visual viaja a lo largo de una "jerarquía" a través del cerebro, en la que las áreas inferiores representan conceptos visuales más simples como la luz y la oscuridad, mientras que las neuronas en la parte superior de la jerarquía capturan ideas más complejas, como la forma de los objetos.

 

"Históricamente, se ha estudiado una región del cerebro cada vez, pero el cerebro no genera el comportamiento y la cognición con solo un área", según Olsen. “Estamos aprendiendo que el cerebro funciona mediante la interacción de áreas y señales enviadas de un área a otra, pero las limitaciones técnicas nos habían impedido estudiar esto en profundidad en el pasado. Realmente necesitábamos la vista integrada que ofrece este conjunto de datos para comenzar a comprender cómo funciona ".

 

Un microscopio equipado con varias sondas de
 Neuropixeles en un Laboratorio del Instituto Allen

Seguimiento de los patrones de tráfico del cerebro

El conjunto de datos Visual Coding - Neuropixels representa el  primer intento del Instituto Allen de llevar a cabo un estudio sistemático de la actividad neuronal en el sistema visual del ratón y más allá. La publicación de datos inicial consta de 58 experimentos, cada uno de los cuales contiene datos de hasta seis sondas de Neuropixels que registran actividad eléctrica  en la corteza, el hipocampo y el tálamo. Los datos de cada experimento se empaquetan convenientemente en archivos Neurodata Without Borders (NWB) que se pueden descargar a través de AllenSDK.

El estudio de Neuropixels se basó en un estudio anterior del Instituto Allen que trazó un mapa del diagrama de cableado del cerebro del ratón, las conexiones físicas hechas por haces de axones entre muchas áreas diferentes del cerebro. Con datos del Atlas de conectividad cerebral del ratón Allen, ese estudio rastreó miles de conexiones tanto dentro como entre el tálamo y la corteza, la capa más externa del cerebro de los mamíferos que es responsable de las funciones de nivel superior, incluido el procesamiento del mundo visual.

 

Si los datos de conectividad son como la hoja de ruta del cerebro, el conjunto de datos de Neuropixels es similar a rastrear patrones de tráfico en el cerebro, dijo Koch. Aunque las señales en el cerebro se mueven en una fracción de segundo de una región a la siguiente, las sondas son lo suficientemente sensibles como para detectar retrasos de tiempo muy leves que permiten a los científicos dibujar un mapa en tiempo real de la ruta que toma la información visual en el cerebro. Al comparar los datos de Neuropixels con los de conectividad, los científicos pueden obtener una imagen más clara de cómo se mueve la información a lo largo de las carreteras neuronales.

 

"Es como si estuviéramos tratando de trazar un mapa de cómo las ciudades están conectadas al observar el movimiento de los automóviles en la carretera", dijo Koch. "Si vemos un automóvil en Sevilla y, unas horas más tarde, vemos ese mismo automóvil en Madrid y mucho más tarde vemos el automóvil en Valencia, entonces tenemos la idea de que la conexión de Sevilla a Valencia tiene que pasar necesariamente por Madrid "

 

Como las carreteras de un país, el mapa de cableado de un cerebro no es una estructura simple. Hay muchas conexiones paralelas diferentes entre dos áreas del cerebro, incluso dos áreas vecinas. Y al igual que nuestro sistema de autopistas, carreteras nacionales y carreteras comarcales, el cerebro tiene conexiones más fuertes y más débiles. El simple hecho de conocer el mapa físico no es suficiente para predecir la ruta de la información visual.

 

Los investigadores pudieron mapear las señales en una jerarquía utilizando los retrasos de tiempo que observaron en la actividad neuronal entre diferentes regiones del cerebro. También utilizaron otras medidas para confirmar la jerarquía, incluido el tamaño del campo visual al que responde cada neurona. Las células más bajas en la jerarquía están sintonizadas con porciones más pequeñas del mundo visual del animal, mientras que las neuronas de nivel superior reaccionan a regiones más grandes del espacio visual, presumiblemente porque esas células están integrando más información sobre la imágen completa que se encuentra  frente al animal.

 

Un proceso crítico

 

Los científicos capturaron la actividad neuronal tanto cuando los animales estaban viendo diferentes fotos e imágenes simples, como en ratones entrenados para responder a un cambio de imagen frente a sus ojos lamiendo una pequeña trompa de agua. Vieron que la información viajaba en el cerebro a través del mismo camino jerárquico en ambas situaciones. Cuando se entrenó a los ratones para responder a un cambio visual, sus neuronas visuales también alteraron su actividad, y las células superiores en la jerarquía mostraron cambios aún mayores.

 

Los científicos incluso pudieron decir con solo observar la actividad neuronal si un animal en particular había detectado con éxito un cambio en la imagen.

 

Y si los investigadores apagaban todas las luces, sin dar a los animales información visual, muchas de las mismas neuronas visuales todavía se activaban, aunque más lentamente, pero el orden del flujo de información se perdía. Esto pudiera significar que la jerarquía es necesaria para procesar la información visual, pero los animales usan las mismas células para otros propósitos en un circuito diferente.

 

Aunque este tipo de experimentos detallados no son posibles en humanos, los estudios que analizan la actividad cerebral general han visto un tipo similar de jerarquía, y cambios en la actividad cerebral, en las partes de nuestro cerebro responsables del procesamiento de sonido y del procesamiento visual. Los neurocientíficos creen que este tipo de procesamiento jerárquico se utiliza en todo el cerebro para comprender muchos aspectos del mundo que nos rodea, no solo lo que vemos.

 

“Sabemos que nuestra capacidad para crear representaciones coherentes de los objetos que estamos viendo es un proceso crítico para la supervivencia. En realidad, nuestros cerebros han dedicado alrededor del 30 al 50% de la corteza cerebral solo para el procesamiento visual ”. "Este estudio sugiere que este procesamiento jerárquico de la información visual también es significativo o importante para el animal".

Basado en:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03171-x

https://portal.brain-map.org/explore/circuits/visual-coding-neuropixels

https://allensdk.readthedocs.io/en/latest/visual_coding_neuropixels.html

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364661398011711

La biología subyacente a la formación de recuerdos

 

 

Un nuevo estudio científico arroja luz sobre cómo las neuronas forman recuerdos a largo plazo

 

Representación 3D de neuronas. Imagen: koto_feja / Getty Images

Un día de finales del verano de 1953, un joven que pronto sería conocido como el paciente H.M. se sometió a una cirugía experimental. En un intento por tratar sus convulsiones, un cirujano extrajo porciones de su cerebro, incluida parte de una estructura llamada hipocampo. Las convulsiones cesaron.

 

Desafortunadamente, para el paciente H.M., también lo hizo el tiempo. Cuando se despertó después de la cirugía, ya no podía formar nuevos recuerdos a largo plazo, a pesar de conservar las capacidades cognitivas normales, el lenguaje y la memoria de trabajo a corto plazo. La condición del paciente H.M. finalmente reveló que la capacidad del cerebro para crear recuerdos a largo plazo es un proceso distinto que depende del hipocampo.

 

Los científicos habían descubierto dónde se crean los recuerdos. Pero se desconocía cómo se generaban.

 

Ahora, neurocientíficos de la Facultad de Medicina de Harvard han dado un paso decisivo en la búsqueda por comprender la biología de la memoria a largo plazo y encontrar formas de intervenir cuando aparecen los déficits de memoria con la edad o con la enfermedad.

 

En un informe publicado en la revista científica Nature describen un mecanismo recientemente identificado que las neuronas en el hipocampo del ratón adulto utilizan para regular las señales que reciben de otras neuronas, en un proceso que parece crítico para la consolidación y la recuperación de la memoria.

 

Los investigadores observaron que las nuevas experiencias activan poblaciones dispersas de neuronas en el hipocampo. Estas neuronas, cuando se activan,  expresan dos genes, Fos y Scg2. Estos genes permiten a las neuronas hacer un ajuste fino de los inputs recibidos de las llamadas interneuronas inhibidoras, células que amortiguan la excitación neuronal. De esta manera, pequeños grupos de neuronas dispares pueden formar redes persistentes, con actividad coordinada, en respuesta a una experiencia.

 

"Este mecanismo probablemente permite que las neuronas se comuniquen mejor entre sí, de modo que la próxima vez que sea necesario recuperar un recuerdo, las neuronas se activen de forma más sincrónica". "Es probable que la activación simultanea de este circuito mediado por el gen Fos sea potencialmente una característica necesaria para la consolidación de la memoria, por ejemplo, durante el sueño, y también para la recuperación de la memoria en el cerebro".

 

Orquestación de circuitos

Para formar recuerdos, el cerebro debe conectar de alguna manera una experiencia a ciertas neuronas para que, cuando estas neuronas se reactiven, se pueda recordar la experiencia inicial. En su estudio, los investigadores se propusieron explorar este proceso observando el gen Fos.

 

Descrito por primera vez en células neuronales en 1986, Fos se expresa minutos después de que se active una neurona. Los científicos han aprovechado esta propiedad, utilizando Fos como marcador de actividad neuronal reciente para identificar las células cerebrales que regulan la sed, el letargo y muchos otros comportamientos fisiológicos.

 

Los científicos plantearon la hipótesis de que el gen Fos podría desempeñar un papel fundamental en el aprendizaje y la memoria, pero durante décadas, la función precisa de este gen ha sido un misterio.

 

Para realizar el estudio, los investigadores expusieron a los ratones a nuevos entornos y observaron las neuronas piramidales, las principales células del hipocampo. Descubrieron que poblaciones relativamente escasas de neuronas expresaban el gen Fos después de la exposición a una nueva experiencia. Luego, impidieron que estas neuronas expresaran el gen Fos, utilizando una herramienta basada en un virus, que se introdujo en un área específica del hipocampo, lo que dejó al resto de neuronas sin afectar.

 

Los ratones que tenían el gen Fos bloqueado de esta manera mostraron déficits de memoria significativos, cuando se evaluaron en un laberinto que les obligó a recordar detalles espaciales, lo que indica que el gen juega un papel fundamental en la formación de la memoria.

 

 

Las neuronas Fos: Después de la exposición a un entorno nuevo,
 una población escasa de neuronas en el hipocampo del ratón expresa el gen Fos (rojo).
Imagen: Yap y colegas

 

Los investigadores estudiaron las diferencias entre las neuronas que expresaban Fos y las que no. Usando la optogenética para activar o desactivar las entradas de diferentes neuronas cercanas, descubrieron que la actividad de las neuronas que expresan el gen  Fos se ve más afectada por dos tipos de interneuronas.

 

Se descubrió que las neuronas que expresan el gen Fos reciben un aumento de las señales inhibidoras o de amortiguación de la actividad de un tipo de interneurona y una disminución de las señales inhibidoras de otro tipo distinto de interneurona. Estos patrones de señalización desaparecieron en las  neuronas estudiadas cuando se bloqueó la  expresión del gen  Fos.

 

Lo fundamental de estas interneuronas es que pueden regular cuándo y cuánto se activan las neuronas individuales con el gen Fos activado, y también cuándo se activan en relación con otras neuronas en el circuito.  Por fin se tiene una idea de cómo Fos puede intervenir en  los procesos de la memoria, específicamente al orquestar este tipo de plasticidad de circuito en el hipocampo.

 

Y aún mas

Los investigadores exploraron  la función del gen Fos, que codifica una proteína de factor de transcripción que regula otros genes. Utilizaron la secuenciación de una sola neurona e imágenes genómicas adicionales para identificar genes activados por Fos y encontraron que un gen en particular, el  Scg2, desempeñaba un papel fundamental en la regulación de las señales inhibidoras.

 

En ratones con el gen  Scg2 silenciado experimentalmente, las neuronas activadas por el gen Fos en el hipocampo mostraron un defecto en la recepción de señales procedentes de ambos tipos de interneuronas. Estos ratones también tenían defectos en los ritmos theta y gamma, propiedades cerebrales que se cree que son características críticas del aprendizaje y la memoria.

 

Estudios anteriores habían demostrado que Scg2 codifica un neuropéptido que puede dividirse en cuatro formas distintas, que luego se secretan. En el estudio actual, los investigadores descubrieron que las neuronas parecen usar estos neuropéptidos para ajustar los inputs  que reciben de las interneuronas.

 

Juntos, los experimentos del equipo sugieren que cuando el ratón vive una nueva experiencia, un pequeño grupo de neuronas expresan simultáneamente el gen Fos, que activa al gen  Scg2 y este genera  sus neuropéptidos, para establecer una red neuronal coordinada y con su actividad regulada por interneuronas.

 

Cuando las neuronas se activan en el hipocampo después de una nueva experiencia, de antemano no están necesariamente vinculadas entre sí de una manera particular. Pero las interneuronas tienen ejes axonales muy amplios, lo que significa que pueden conectarse y enviar señales a muchas neuronas a la vez. Esta puede ser la forma en que un grupo disperso de neuronas puede formar un circuito para codificar en última instancia una memoria concreta".

 

Los hallazgos del estudio representan un posible mecanismo a nivel de circuito y molecular para la memoria a largo plazo. Y arrojan nueva luz sobre la biología fundamental de la formación de la memoria. También tiene amplias implicaciones para las enfermedades de la disfunción de la memoria.

 

Los investigadores señalan, sin embargo, que si bien los resultados son un paso importante en nuestra comprensión del funcionamiento interno de la memoria, quedan numerosas preguntas sin respuesta sobre los mecanismos recientemente identificados.

 

Todavía no se ha llegado a un conocimiento completo de la formación de los recuerdos,  pero ahora se ven mejor muchos de los próximos pasos que deben tomarse. Si se pudiera comprender mejor este proceso, se podrían tener nuevos controles sobre la memoria y sobre cómo intervenir cuando las cosas van mal, ya sea en la pérdida de memoria relacionada con la edad o en trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer.

 

Basado en:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-3031-0

https://science.sciencemag.org/content/234/4772/80