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